LF5 Lernsituationen
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LF 5) Mikrobiologische und zell-kulturtechnische Arbeiten durchführen (80h)<br />
Zielformulierung:<br />
Die Schülerinnen und Schüler sollen in der Lage sein, Mikroorganismen und Zellen zu isolieren. Sie<br />
können biologisches Material entsorgen. Sie beschreiben den Verlauf von Infektionskrankheiten und<br />
erklären biotechnologische Verfahren.<br />
Inhalte:<br />
Zellen (Leben, Zellorganellen, Zellteilungen, Proteinbiosynthese, Eukaryonten, Prokaryonten) Viren<br />
Zellkulturen<br />
Desinfektion, Sterilisation<br />
Biologische Sicherheitsstufen<br />
Nährmedien<br />
Nachweise von Mikroorganismen, Mikroskop<br />
Impf- und Kulturtechniken<br />
Wachstumskurven, statistische Auswertung<br />
Verdünnungsreihen<br />
Infektionskrankheiten, Infektionsabwehr, Einführung in Immunologie<br />
Biotechnologische Verfahren<br />
Nachfolgend einige Umsetzungsmöglichkeiten, entwickelt durch die Marburger<br />
Biolaborantenlehrer (Beate Ullrich, Dr. Johannes Melchers und Robert Petri).<br />
Lernsituation 1a: Sie arbeiten in der Produktprüfung eines Pharmakonzerns. Ihre Abteilung<br />
untersucht die Veränderung von Gewebe durch den Einfluss bestimmter Pharmaka<br />
histologisch. Die histologischen Untersuchungen werden mit Hilfe der Lichtmikroskopie, als<br />
auch der Elektronenmikroskopie durchgeführt. Einem Schülerpraktikanten sollen Sie eine<br />
Handlungsanweisung zum Umgang mit dem Lichtmikroskop geben, in der auch grundlegende<br />
theoretische Kenntnisse der Lichtmikroskopie vermittelt werden sollen.<br />
Lernsituation 1b: Im Zusammenhang mit einer Berufsbildungsmesse erhalten Sie den<br />
Auftrag für einen Informationsstand Biologielaborant ein Informationspapier<br />
Elektronenmiksroskopie zu erstellen.<br />
Oder<br />
Ihre Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der elektronenmikroskopischen Aufklärung der<br />
protektiven Wirkung von Ascorbinsäure auf Zellen des ZNS. Erstellen Sie für ein Paper,<br />
welches Ihr Vorgesetzter veröffentlichen möchte, kurze Infoartikel ggf. mit Skizze zum<br />
normalen Zellbau von Nervenzellen des ZNS sowie zur Funktionsweise und Nutzung der<br />
Elektronenmikoskopie.<br />
Lernsituation 1c: Ihr Auftrag ist es drei unterschiedliche Substanzen auf ihre cytotoxische<br />
Wirkung zu überprüfen, Ihnen liegen Substanzen jeweils in Lösungen mit einem Massenanteil<br />
von 50% vor. Der Auftraggeber verlangt eine Überprüfung der Stoffe im Bereich einer End-<br />
Konzentration von 10 -1 mol/L bis 10 -9 mol/L im Zellkulturmedium..<br />
Lernsituation 1d: In der mikrobiologischen Abteilung Ihres Unternehmens arbeitet man an<br />
der Entwicklung von Antibiotika. Das wichtigste Beurteilungskriterium für ein neues<br />
synthetisches Antibiotikum ist neben der finanziellen und technischen Machbarkeit die<br />
Wirksamkeit einerseits auf bakterielle Kulturen andererseits aber auch auf das Wachstum von<br />
tierischen Zellkulturen, weil Antibiotika oft als Zusatzstoff in entsprechenden<br />
Zellkulturmediemn eingesetzt werden. Um ggf. Veränderungen in bakteriellen bzw. in<br />
tierischen Zellkulturen erkennen zu können, müssen Sie sich zunächst mit der Normalsituation<br />
vertraut machen.<br />
Lernsituation 2:<br />
1
Für die Produktion von Insulin werden noch heute Bakterien gegenüber der Nutzung einer<br />
Säugerzellkultur bevorzugt.<br />
1.) Was macht die Nutzung von Bakterien hier so effektiv?<br />
2.) Welche Auswirkung hat das hierzu erlangte Wissen auf ihre Arbeitsweise in der<br />
mikrobiologischen Abteilung?<br />
Inhalte (didakt. Redukltion):<br />
Zu 1.) Unterschiede Eu/Prokaryonten im Zell und DNS-Aufbau: Organellen,<br />
Endosymbionthentheorie, DNS-Aufbau, Verpackung von DNS, Processing der<br />
mRNA, Proteinbiosythese,<br />
Hinweis: es könnte hier auch die Klonierung über m-RNA c-DNS jetzt kleines<br />
humanes Gen in Prokarionten angesprochen werden<br />
Zu 2.) Umgang mit Säugerzellen- Nährmedien, allgemeine Bedingungen, im<br />
Gegensatz zur den Zuchtbedingungen von MO nur Grundlagen! (nur ganz knapper<br />
Überblick, weil später im LF 11)<br />
Möglichkeit der Massenproduktion von MO, Sterilarbeitstechniken<br />
Querverweis: AS und Proteine- Eigenschaften, Proteinaufreinigungsverfahren<br />
Mögl.Methoden:<br />
Die Organellen und der unterschiedliche Zellaufbau könnten jeweils in Gruppen<br />
erarbeitet werden, dann in einer Tabelle, bzw. in einer Übersicht zusammengestellt<br />
werden.<br />
Zuchtbedingungen: je 2 Gr. erarbeiten ein Thema, im Kugellager wird sich<br />
ausgetauscht und dann kann in einer Diskussion das Für und Wider der Nutzung von<br />
MO/Säugerzellen besprochen werden. Die Gruppen erarbeiten Handouts, nach<br />
konkreten Fragen/Angaben der Lehrkraft.<br />
Sterilarbeitstechniken: Mindmap, da ich annehme, dass die SuS mit den meisten der<br />
Techniken gut vertraut sind.<br />
Lernsituation 2a: Insulin kann gentechnisch sowohl mit Hilfe von Bakterien (E. coli<br />
Prokaryont), als auch mit Hilfe von Hefe (Eukaryont) hergestellt werden. Als Laborant sollen<br />
sie den Entscheidern in Ihrem Betrieb Argumente für das eine oder andere Verfahren liefern.<br />
Die Klasse kann in zwei Gruppen geteilt werden, eine bearbeitet die Herstellung<br />
mittels E. coli, die andere Gruppe befasst sich mit der Produktion mit Hefe. Dann soll<br />
nach den darauf folgenden Schülerpräsentationen der Gruppenarbeit diskutiert<br />
werden, was denn nun besser ist, wobei die Schülerinnen auf wesentliche<br />
Unterschiede zwischen Prokaryonten und Eukaryonten zu sprechen kommen. Hieran<br />
kann man auf die bei Bakterien deutlich höheren Wachstumsraten und schnellere<br />
Proteinexpression eingehen, und nach dem Warum fragen, um auf die Unterschiede<br />
der Bioproteinsynthese zu kommen. Bakterien sind schneller, weil die Transkription<br />
und Translation nicht räumlich getrennt sind. Dadurch kann die naszierende m-RNA<br />
direkt von den Ribosomen abgelesen und in Proteine übersetzt werden, die sowohl<br />
für das Wachstum als auch für die Proteinexpression entscheidend sind. Bei<br />
Eukaryonten muss die m-RNA erstmal gespleißt und aus dem Zellkern ins<br />
Zytoplasma transportiert werden, was etwas dauert. Erst im Zytoplasma kann die m-<br />
RNA dann abgelesen werden.<br />
2
Ein weiterer wesentlicher Unterschied ist die Fähigkeit der Hefe, im<br />
endoplasmatischen Retikulum die Disulfidbrücken des Insulins zu knüpfen. Dabei<br />
kann auf die Rolle von ER, Golgi-Apparat und den sekretorischen Weg in der Zelle<br />
eingegangen werden. Diese Fähigkeit des Knüpfens von Disulfidbrücken ist ein<br />
großer Vorteil bei der Produktion von Insulin mittels Hefe, was den Nachteil des<br />
langsameren Wachstums und der schwächeren Proteinexpression ausgleicht, so<br />
dass beide Verfahren kommerziell angewandt werden.<br />
E. coli hat als Prokaryont kein ER, Golgi Apparat und sekretorischen Weg, so dass<br />
hier keine Disulfidbrücken geknüpft werden können.<br />
Lernsituation 3: Fermentation: Sie wollen sich von dem fiesen Winter-Wetter in<br />
Deutschland verabschieden und haben eine Stelle beim Weltmarktführer der Tequila-<br />
Produktion Pepe Zavala in Mexiko angetreten.<br />
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Sie haben die Aufgabe, die Fermentation des Agaven-Sirups mit dem Bakterium<br />
Zymomonas mobilis zu optimieren. Was würden Sie tun?<br />
Inhalte: Fermentation besprechen wie zum Beispiel die erforderlichen Nährstoffe, die<br />
Notwendigkeit, die Polysaccharide durch Hitze aufzuspalten, je besser desto<br />
schneller bzw. vollständiger die Fermentation, Sauerstoff, Temperatur, pH etc.<br />
Bakterienwachstum, Zufuhr frischer Nährstostoffe usw.<br />
Lernsituation 4: Im Rahmen der Proteinisolation aus Körpersäften gibt es als ersten<br />
Isolierungsschritt in der Regel eine sog. Ammonsulfatfällung. Hierbei gibt man größere<br />
Mengen des leicht löslichen Salzes zu der Proteinlösung hinzu. Die dadurch entstehende<br />
Salzfracht stört jedoch bei den nachfolgenden chromatografischen Reingungsmethoden, die<br />
z.B. auf immunadsorptive Prozesse zurückgreifen. Daher folgt klassisch eine sog. Dialyse.<br />
Wählen Sie einen geeigneten Dialyseschlauch und entsprechende Gerätschaften aus, um diese<br />
Dialyse effizient aber gleichzeitig kostensparend auszuführen. Für Ihr Zielprotein können Sie<br />
eine Molekularmasse von größer 50kDa annehmen.<br />
(Damit wären Diffusion und Osmose bearbeitbar und erledigt!)<br />
3
Lernsituation 5: In den Medien finden Sie häufig Meldungen über künstliche Membranen,<br />
die unter anderem helfen sollen, Tierversuche zu reduzieren (Verträglichkeitstests an<br />
künstlichen Membranen statt im Tier). Eine Mainzer Arbeitsgruppe des MPI für<br />
Polymerforschung konnte zum Beispiel auch schon Geruchsrezeptoren funktionstüchtig in<br />
eine künstliche Membran einbauen. Informieren Sie sich im Internet über den bau natürlicher<br />
und künstlicher Biomembranen.<br />
Lernsituation 6: In Zellkulturmedien werden immer auch Substanzen zugesetzt, die durch die<br />
Zellen zu ATP umgewandelt werden können. Informieren Sie sich, wozu die Zellen ATP<br />
benötigen.<br />
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