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Bio-LK der ADS

Ein interessanter und arbeitsreicher Tag im livfe Biolab in Darmstadt

Als einer der ersten Kurse überhaupt durfte der Biologieleistungskurs der Alfred-Delp-Schule unter Kursleitung von Sven Remdisch das neue livfe Biolab in Darmstadt besuchen.

 

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Gruppenbild des Biologieleistungskurses am Ende des Tages

 

<p >Das Schülerlabor, entstanden in Kooperation der Firma Merck mit dem Fachbereich Biologie der TU Darmstadt, bietet den Schülerinnen und Schülern einen realistischen Einblick in den Laboralltag. Neben einem Fluoreszenzmikroskop stehen hier viele Laborgeräte zur Verfügung, die u.a. die praktische Ausführung von gentechnischen Verfahren ermöglichen, wie sie in der Schule so nicht durchführbar sind. In fünf aufeinanderfolgenden Schritten konnten sich die Schülerinnen und Schüler in Gruppen intensiv und praktisch mit dem Thema Molekularbiologie auseinandersetzen. Sie konnten an diesem Tag verschiedene gentechnische Verfahren und die dafür notwendigen speziellen Gerätschaften in der Praxis kennenlernen und anwenden. Angeleitet wurden die Schülerinnen und Schüler durch den Laborleiter Dr. Guido Klees und durch weitere Hilfskräfte.

 

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Übersicht zu Beginn über die fünf großen Arbeitsschritte des Tages

 

Viele Bakterien verfügen über ein ringförmiges DNA-Molekül, welches Plasmid genannt wird. Für den Labortag wurden E.coli-Bakterien genutzt, denen zuvor ein spezielles Gen, das GFP-Gen (GFP= green fluorescent protein, grün fluoreszierendes Protein) in das Plasmid integriert wurde. Das GFP-Gen wird in den Bakterien bei der Proteinbiosynthese zuerst transkribiert und die mRNA danach translatiert. Durch Anregung mit blauem oder ultraviolettem Licht fluoresziert das synthetisierte Protein grün. Die Bakterien mit diesem Gen lassen sich deshalb sehr gut unter einem speziellen Mikroskop beobachten.

 

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Das mikroskopische Bild zeigt Bakterien, bei denen das GFP-Gen erfolgreich in das Plasmid integriert wurde.

 

1. Schritt: Isolierung der Plasmide mit dem GFP-Gen
Nach ausführlichen Erläuterungen zu den Sicherheitsbestimmungen im Labor und einer kurzen Schulung zum Umgang mit den labortypischen Eppendorf-Pipetten durften die Schülerinnen und Schüler mit der Isolierung der DNA aus den Bakterien beginnen.

 

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Übersicht über die einzelnen Schritte zur Plasmidisolierung

 

Hierzu mussten sie zunächst einmal die einzelnen Versuchsschritte im zur Verfügung gestellten Skript genau lesen und befolgen. Nach mehrmaligem Pipettieren von verschiedenen Lösungen und Waschpuffern im Wechsel mit mehrmaligem Zentrifugieren wurden die Zellen der E.coli-Bakterien aufgeschlossen und im Anschluss daran die Plasmide erfolgreich isoliert. Zum Schutz vor enzymatischem Abbau wurden diese dann auf Eis gestellt. Anschließend wurde per Photometrie die DNA-Konzentration bestimmt. Je nach Konzentration mussten dann die DNA-Lösungen verdünnt werden, wozu einige Berechnungen notwendig waren.
2. Schritt: Amplifizierung (= Vervielfältigung von DNA-Abschnitten) des GFP-Gens mittels der PCR
(= polymerase chain reaction, Polymerase-Kettenreaktion)
Nach Zugabe weiterer für die DNA-Vermehrung wichtiger Substanzen wie Nukleotide, Primer und Polymerasen wurden die Proben in den Thermocycler gestellt. Hier durchliefen die Proben 25 Zyklen. In jedem Zyklus wurden zunächst die DNA-Doppelstränge voneinander getrennt (Denaturierung, bei 95°C), danach lagerten sich die Primer an jeden Einzelstrang an (Annealing, bei 60°C). In der letzten Phase des Zyklus sorgt ein Enzym, Polymerase genannt, dafür, dass die DNA-Einzelstränge wieder zu DNA-Doppelsträngen komplettiert werden (Elongation, bei 72°C). Dadurch dass die Zyklen mehrfach durchlaufen wurden, wurden die Plasmide nach und nach vervielfältigt.

 

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Der Monitor des Thermocyclers zeigt den Fortschritt der PCR.

 

3. Schritt: Restriktionsanalyse
Mithilfe der nächsten beiden Schritte ließ sich überprüfen, wie groß das Plasmid ist und ob das GFP-Gen mit der richtigen Orientierung in das Plasmid eingebaut wurde. Hierzu wurden die DNA-Proben mit verschiedenen Restriktionsenzymen versetzt, die die Plasmide jeweils an spezifischen Stellen schnitten und so unterschiedlich lange DNA-Stücke erzeugten.
4. Schritt: Gelelektrophorese
Die Gelelektrophorese dient dazu, unterschiedlich große DNA-Stücke ihrer Größe nach aufzutrennen. Dazu stellten die Schülerinnen und Schüler zunächst ihre eigenen Gele her.
Nachdem jede Gruppe ihr Gel hergestellt hatte, begaben wir uns zum gemeinsamen und wohlverdienten Mittagessen in die Mensa auf der Lichtwiese, wo alle einen weiteren Einblick in das Studentenleben erhielten.
Nach der Stärkung ging es direkt zurück ins Labor, wo schon die nächste Aufgabe auf die Schülerinnen und Schüler wartete: das Beladen der Geltaschen. Zunächst durften sie das Pipettieren in die Geltaschen bei einem Probegel üben.

 

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Die Schülerinnen und Schüler üben das Pipettieren in die Geltaschen. Hierbei war Fingerspitzengefühl gefragt.

 

Danach konnten alle ihre eigenen Gele erfolgreich beladen, die gesamte Apparatur zusammenbauen und die Auftrennung starten.

 

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Ein erfolgreich beladenes Gel

 

Nach der Gelelektrophorese wurden die Gele an der Geldokumentation (UV-Tisch mit Kamera) fotografiert.

 

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Das Bild zeigt ein Foto des Gels nach der Auftrennung per Gelelektrophorese.

 

5. Schritt: Digitale Plasmidanalyse
Während die DNA-Moleküle der Größe nach aufgetrennt wurden, konnten sich die Schülerinnen und Schüler an den zur Verfügung gestellten Laptops mit den Details des Plasmids vertraut machen und zu allen beteiligten Elementen die DNA-Sequenzen anschauen. Hierbei mussten sie verschiedene Aufgaben und Fragen beantworten, die dazu beigetragen haben, die einzelnen Arbeitsschritte im Detail besser zu verstehen.

 

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Das Plasmid mit eingebautem GFP-Gen bei der digitalen Plasmidanalyse

 

Am Ende wurden die Ergebnisse der Gruppen besprochen  und geklärt, warum diese so unterschiedlich ausfielen. Den Schülerinnen und Schülern wurde deutlich, dass es in der Praxis in der Regel nicht ausreicht, ein Experiment nur einmal durchzuführen.
Insgesamt war es ein arbeitsreicher, aber sehr interessanter und lehrreicher Tag. Wir bedanken uns ganz herzlich bei Merck und der TU Darmstadt für diesen Einblick in die Laborarbeit. Die in der Schule vermittelte Theorie konnte so durch praktische Erfahrungen ergänzt werden. Insbesondere geht unser Dank an Herrn Guido Klees und sein Team, welche uns freundlich, hilfsbereit und kompetent durch den Tag geleitet haben.
Sven Remdisch / Angelika Schneider (Bearbeitung)