LF5 Lernsituationen

LF 5) Mikrobiologische und zell-kulturtechnische Arbeiten durchführen (80h)
Zielformulierung:
Die Schülerinnen und Schüler sollen in der Lage sein, Mikroorganismen und Zellen zu isolieren. Sie
können biologisches Material entsorgen. Sie beschreiben den Verlauf von Infektionskrankheiten und
erklären biotechnologische Verfahren.
Inhalte:
Zellen (Leben, Zellorganellen, Zellteilungen, Proteinbiosynthese, Eukaryonten, Prokaryonten) Viren
Zellkulturen
Desinfektion, Sterilisation
Biologische Sicherheitsstufen
Nährmedien
Nachweise von Mikroorganismen, Mikroskop
Impf- und Kulturtechniken
Wachstumskurven, statistische Auswertung
Verdünnungsreihen
Infektionskrankheiten, Infektionsabwehr, Einführung in Immunologie
Biotechnologische Verfahren
Nachfolgend einige Umsetzungsmöglichkeiten, entwickelt durch die Marburger
Biolaborantenlehrer (Beate Ullrich, Dr. Johannes Melchers und Robert Petri).
Lernsituation 1a: Sie arbeiten in der Produktprüfung eines Pharmakonzerns. Ihre Abteilung
untersucht die Veränderung von Gewebe durch den Einfluss bestimmter Pharmaka
histologisch. Die histologischen Untersuchungen werden mit Hilfe der Lichtmikroskopie, als
auch der Elektronenmikroskopie durchgeführt. Einem Schülerpraktikanten sollen Sie eine
Handlungsanweisung zum Umgang mit dem Lichtmikroskop geben, in der auch grundlegende
theoretische Kenntnisse der Lichtmikroskopie vermittelt werden sollen.
Lernsituation 1b: Im Zusammenhang mit einer Berufsbildungsmesse erhalten Sie den
Auftrag für einen Informationsstand Biologielaborant ein Informationspapier
Elektronenmiksroskopie zu erstellen.
Oder
Ihre Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der elektronenmikroskopischen Aufklärung der
protektiven Wirkung von Ascorbinsäure auf Zellen des ZNS. Erstellen Sie für ein Paper,
welches Ihr Vorgesetzter veröffentlichen möchte, kurze Infoartikel ggf. mit Skizze zum
normalen Zellbau von Nervenzellen des ZNS sowie zur Funktionsweise und Nutzung der
Elektronenmikoskopie.
Lernsituation 1c: Ihr Auftrag ist es drei unterschiedliche Substanzen auf ihre cytotoxische
Wirkung zu überprüfen, Ihnen liegen Substanzen jeweils in Lösungen mit einem Massenanteil
von 50% vor. Der Auftraggeber verlangt eine Überprüfung der Stoffe im Bereich einer End-
Konzentration von 10 -1 mol/L bis 10 -9 mol/L im Zellkulturmedium..
Lernsituation 1d: In der mikrobiologischen Abteilung Ihres Unternehmens arbeitet man an
der Entwicklung von Antibiotika. Das wichtigste Beurteilungskriterium für ein neues
synthetisches Antibiotikum ist neben der finanziellen und technischen Machbarkeit die
Wirksamkeit einerseits auf bakterielle Kulturen andererseits aber auch auf das Wachstum von
tierischen Zellkulturen, weil Antibiotika oft als Zusatzstoff in entsprechenden
Zellkulturmediemn eingesetzt werden. Um ggf. Veränderungen in bakteriellen bzw. in
tierischen Zellkulturen erkennen zu können, müssen Sie sich zunächst mit der Normalsituation
vertraut machen.
Lernsituation 2:
1

Für die Produktion von Insulin werden noch heute Bakterien gegenüber der Nutzung einer
Säugerzellkultur bevorzugt.
1.) Was macht die Nutzung von Bakterien hier so effektiv?
2.) Welche Auswirkung hat das hierzu erlangte Wissen auf ihre Arbeitsweise in der
mikrobiologischen Abteilung?
Inhalte (didakt. Redukltion):
Zu 1.) Unterschiede Eu/Prokaryonten im Zell und DNS-Aufbau: Organellen,
Endosymbionthentheorie, DNS-Aufbau, Verpackung von DNS, Processing der
mRNA, Proteinbiosythese,
Hinweis: es könnte hier auch die Klonierung über m-RNA c-DNS jetzt kleines
humanes Gen in Prokarionten angesprochen werden
Zu 2.) Umgang mit Säugerzellen- Nährmedien, allgemeine Bedingungen, im
Gegensatz zur den Zuchtbedingungen von MO nur Grundlagen! (nur ganz knapper
Überblick, weil später im LF 11)
Möglichkeit der Massenproduktion von MO, Sterilarbeitstechniken
Querverweis: AS und Proteine- Eigenschaften, Proteinaufreinigungsverfahren
Mögl.Methoden:
Die Organellen und der unterschiedliche Zellaufbau könnten jeweils in Gruppen
erarbeitet werden, dann in einer Tabelle, bzw. in einer Übersicht zusammengestellt
werden.
Zuchtbedingungen: je 2 Gr. erarbeiten ein Thema, im Kugellager wird sich
ausgetauscht und dann kann in einer Diskussion das Für und Wider der Nutzung von
MO/Säugerzellen besprochen werden. Die Gruppen erarbeiten Handouts, nach
konkreten Fragen/Angaben der Lehrkraft.
Sterilarbeitstechniken: Mindmap, da ich annehme, dass die SuS mit den meisten der
Techniken gut vertraut sind.
Lernsituation 2a: Insulin kann gentechnisch sowohl mit Hilfe von Bakterien (E. coli
Prokaryont), als auch mit Hilfe von Hefe (Eukaryont) hergestellt werden. Als Laborant sollen
sie den Entscheidern in Ihrem Betrieb Argumente für das eine oder andere Verfahren liefern.
Die Klasse kann in zwei Gruppen geteilt werden, eine bearbeitet die Herstellung
mittels E. coli, die andere Gruppe befasst sich mit der Produktion mit Hefe. Dann soll
nach den darauf folgenden Schülerpräsentationen der Gruppenarbeit diskutiert
werden, was denn nun besser ist, wobei die Schülerinnen auf wesentliche
Unterschiede zwischen Prokaryonten und Eukaryonten zu sprechen kommen. Hieran
kann man auf die bei Bakterien deutlich höheren Wachstumsraten und schnellere
Proteinexpression eingehen, und nach dem Warum fragen, um auf die Unterschiede
der Bioproteinsynthese zu kommen. Bakterien sind schneller, weil die Transkription
und Translation nicht räumlich getrennt sind. Dadurch kann die naszierende m-RNA
direkt von den Ribosomen abgelesen und in Proteine übersetzt werden, die sowohl
für das Wachstum als auch für die Proteinexpression entscheidend sind. Bei
Eukaryonten muss die m-RNA erstmal gespleißt und aus dem Zellkern ins
Zytoplasma transportiert werden, was etwas dauert. Erst im Zytoplasma kann die m-
RNA dann abgelesen werden.
2

Ein weiterer wesentlicher Unterschied ist die Fähigkeit der Hefe, im
endoplasmatischen Retikulum die Disulfidbrücken des Insulins zu knüpfen. Dabei
kann auf die Rolle von ER, Golgi-Apparat und den sekretorischen Weg in der Zelle
eingegangen werden. Diese Fähigkeit des Knüpfens von Disulfidbrücken ist ein
großer Vorteil bei der Produktion von Insulin mittels Hefe, was den Nachteil des
langsameren Wachstums und der schwächeren Proteinexpression ausgleicht, so
dass beide Verfahren kommerziell angewandt werden.
E. coli hat als Prokaryont kein ER, Golgi Apparat und sekretorischen Weg, so dass
hier keine Disulfidbrücken geknüpft werden können.
Lernsituation 3: Fermentation: Sie wollen sich von dem fiesen Winter-Wetter in
Deutschland verabschieden und haben eine Stelle beim Weltmarktführer der Tequila-
Produktion Pepe Zavala in Mexiko angetreten.
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Sie haben die Aufgabe, die Fermentation des Agaven-Sirups mit dem Bakterium
Zymomonas mobilis zu optimieren. Was würden Sie tun?
Inhalte: Fermentation besprechen wie zum Beispiel die erforderlichen Nährstoffe, die
Notwendigkeit, die Polysaccharide durch Hitze aufzuspalten, je besser desto
schneller bzw. vollständiger die Fermentation, Sauerstoff, Temperatur, pH etc.
Bakterienwachstum, Zufuhr frischer Nährstostoffe usw.
Lernsituation 4: Im Rahmen der Proteinisolation aus Körpersäften gibt es als ersten
Isolierungsschritt in der Regel eine sog. Ammonsulfatfällung. Hierbei gibt man größere
Mengen des leicht löslichen Salzes zu der Proteinlösung hinzu. Die dadurch entstehende
Salzfracht stört jedoch bei den nachfolgenden chromatografischen Reingungsmethoden, die
z.B. auf immunadsorptive Prozesse zurückgreifen. Daher folgt klassisch eine sog. Dialyse.
Wählen Sie einen geeigneten Dialyseschlauch und entsprechende Gerätschaften aus, um diese
Dialyse effizient aber gleichzeitig kostensparend auszuführen. Für Ihr Zielprotein können Sie
eine Molekularmasse von größer 50kDa annehmen.
(Damit wären Diffusion und Osmose bearbeitbar und erledigt!)
3

Lernsituation 5: In den Medien finden Sie häufig Meldungen über künstliche Membranen,
die unter anderem helfen sollen, Tierversuche zu reduzieren (Verträglichkeitstests an
künstlichen Membranen statt im Tier). Eine Mainzer Arbeitsgruppe des MPI für
Polymerforschung konnte zum Beispiel auch schon Geruchsrezeptoren funktionstüchtig in
eine künstliche Membran einbauen. Informieren Sie sich im Internet über den bau natürlicher
und künstlicher Biomembranen.
Lernsituation 6: In Zellkulturmedien werden immer auch Substanzen zugesetzt, die durch die
Zellen zu ATP umgewandelt werden können. Informieren Sie sich, wozu die Zellen ATP
benötigen.
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