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Biotechnologie

Vorbemerkungen

Eingangsklasse

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

20

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht

z. B.
Übungen
Anwendungen
Wiederholungen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Gewinnung einer Reinkultur – historische Betrachtung der Mikrobiologie (mit Laborübungen)
Bierherstellung, Käseherstellung nach traditionellen Verfahren (Recherche und Laborübungen)
Exkursion
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 1

Anwendungsgebiete der Biotechnologie

6

Die Schülerinnen und Schüler lernen anhand von Beispielen die vielfältigen Arbeitsfelder sowie die wirtschaftliche und die gesellschaftliche Bedeutung der Biotechnologie kennen. Sie verstehen die Biotechnologie als naturwissenschaftliche Disziplin, die natürlich vorkommende Prozesse nutzt und in verschiedensten Bereichen des Lebens zum Einsatz kommt. In der Auseinandersetzung mit historischen Aspekten erkennen die Schülerinnen und Schüler aber auch, dass die Biotechnologie die kulturelle Entwicklung des Menschen mit geprägt hat.

BPE 1.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben klassische und moderne Anwendungen der Biotechnologie und leiten daraus deren Bedeutung für die Gesellschaft ab. Sie ermitteln den Bedeutungsumfang des Begriffs Biotechnologie.

Biotechnologische Verfahren, Anwendungsgebiete
Geschichte der Biotechnologie
  • traditionelle Biotechnologie

  • moderne Verfahren: Gentechnologie
z. B. Umweltbiotechnologie, Antikörper
Arbeitsfelder, Bedeutungsumfang
Berufsorientierung: Tätigkeiten im Bereich „Life Sciences“; interdisziplinär, angewandt, Produktion
  • Medizinische Biotechnologie
„rote“ Biotechnologie: Impfstoffe
  • „Grüne“ Biotechnologie
transgene Pflanzen
  • „Weiße“ Biotechnologie
Zusatzstoffe, Enzyme
  • Umweltbiotechnologie
Kläranlage

BPE 2

Zellen und Enzyme in der klassischen und modernen Biotechnologie

44

Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Bedeutung von Mikroorganismen für klassische und moderne biotechnologische Verfahren. Sie verstehen, dass Zellen und Enzyme als Biokatalysatoren gezielt für die Umwandlung von Edukten zu Produkten eingesetzt werden. Die Schülerinnen und Schüler erkennen zudem, dass Enzyme und Proteine die Vielzahl ihrer Funktionen in Zellen und Organismen auf der Grundlage ihrer Strukturvielfalt ausüben können. Sie begreifen, dass strukturelle Vielfalt durch ein Baustein-Prinzip erzielt wird und dass nach dem Prinzip „Struktur und Funktion“ die spezifische, auch veränderbare Raumstruktur eines Proteins seine Funktion ermöglicht. Damit wird den Schülerinnen und Schülern der Zusammenhang zwischen zellulären Funktionen als Kennzeichen von Lebewesen und molekularen Strukturen und deren Wechselwirkungen verdeutlicht. Auf dieser Basis sind sie in der Lage, die Funktion von Enzymen als Biokatalysatoren zu erfassen und grundlegende Prinzipien der biotechnologischen Produktion zu erfahren. Die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass für eine Optimierung solcher Prozesse Organismen unter bestimmten Umständen gentechnisch verändert werden.

BPE 2.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben exemplarisch die Vielfalt der in der Natur vorkommenden Mikroorganismen und beurteilen deren Bedeutung für Mensch und Umwelt. Die Schülerinnen und Schüler untersuchen Mikroorganismen hinsichtlich ihrer Struktur und Vitalität und stellen Zellen als deren Bau- und Funktionseinheiten dar.

Bakterien, Pilze, Algen
Archaea, Bacteria; Hefen; Mikro‑, Makroalgen
Pro- und Eukaryot

  • Form, Größe

  • individuelle Stoffwechselleistungen
z. B. Fotosynthese, Atmung, Gärungen
Stoffkreislauf: Mikroorganismen als Produzenten, Konsumenten, Destruenten
z. B. Stickstoff-Kreislauf
Mineralisierer
Klassische Biotechnologie

  • Milchsäure‑, Essigbakterien
Joghurt, Essig
  • Hefen, Schimmelpilze
Ethanol, Zitronensäure, Antibiotika
Zelle als mikrobielle Bau- und Funktionseinheit
Mikroskopie
  • einzellige Hefen, Bakterien
z. B. Milchsäurebakterien aus Joghurt
  • Knospung, Querteilung
Kennzeichen des Lebens: Vermehrung
  • Vitalitätsfärbung
Kennzeichen des Lebens: Stofftransport, ‑wechsel
Aufbau einer Pro‑, Eucyte

BPE 2.2

Ausgehend von Verfahren der klassischen Biotechnologie leiten die Schülerinnen und Schüler die Funktion der Mikroorganismen bei Produktionsprozessen ab und begründen den Einsatz von Reinkulturen. Sie beschreiben Methoden zur Gewinnung und zum Einsatz von Reinkulturen zu Produktionszwecken.

Historische Ethanolproduktion, Louis Pasteur
Exkursion
  • Weinhefe: alkoholische Gärung

  • Hefe-Kultivierung, Produktion von Wein

  • Verfahren zur Sterilkultur

Gewinnung einer Reinkultur
Versuche: z. B. Milchsäurebakterien aus Joghurt
  • Sicherheitsvorkehrungen im Labor
BioStoffV, RiSU
  • Probennahme

  • Nährmedien, Selektion

  • Vereinzelung, Eigenschaften
Verdünnungsausstrich
Nährmedien
für chemo-organo-heterotrophe Organismen
  • Komplexmedium, definiertes Medium

  • Minimal‑, Selektiv‑, Differentialmedium

  • Bestandteile: Energiequelle, Nährstoffe, Salze, Spurenelemente
z. B. Glucose als C-Quelle und Energielieferant; N‑, P‑, S-Quellen; Cofaktoren
Kultivierungstechniken

  • steriles Arbeiten
Gewinnung und beim Einsatz von Reinkulturen
  • Desinfektion, Sterilisation
Behandlung mit 70% Ethanol; Autoklavieren
  • Wachstumskontrolle: Wachstumskurve
Versuche: OD-Messung

BPE 2.3

Die Schülerinnen und Schüler interpretieren Eigenschaften von Mikroorganismen als Realisation von genetischen Informationen und beschreiben das zentrale Dogma der Molekularbiologie.

Einfache Phänotyp-Genotyp-Beziehungen
Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese, N. crassa
Genbegriff
vereinfacht: Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese
Zentrales Dogma der Molekularbiologie
vereinfachte schematische Darstellung
  • Prinzip der DNA-Replikation: vorlagengesteuerte DNA-Vervielfältigung
Kennzeichen des Lebens: Vererbung
  • Bedeutung der Transkription: mRNA als Abschrift genetischer Information
Genregulation
  • Bedeutung der Translation: Proteinbiosynthese, genetischer Code
Universalität des genetischen Codes als notwendige Voraussetzung heterologer Expression

BPE 2.4

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Bedeutung von Proteinen für die Eigenschaften von Organismen und erklären die Funktionsvielfalt von Proteinen auf der Basis ihrer Strukturvielfalt.

Funktionsvielfalt, Beispielfunktionen von Proteinen: Strukturproteine, Enzyme
Transport‑, Signal‑, Regulatorproteine; Kennzeichen des Lebens
Strukturvielfalt von Proteinen

  • Primärstruktur: Aminosäure-Sequenzen, IUPAC-Code; Strangpolarität
Baustein-Prinzip, Kombinatorik
  • allgemeine Aminosäure-Strukturformel

  • Aminosäure-Einteilung nach Seitenketten
unpolar, polar ungeladen, positiv/negativ geladen
  • Peptidbindung
Kondensationsreaktion
  • Sekundär‑, Tertiär‑, Quartärstruktur
Modelle zur Darstellung der Raumstruktur
Prinzip Struktur und Funktion

  • Funktionsträger: 3D-Struktur
Keratine, Aquaporine
  • Schlüssel-Schloss-Prinzip
Enzyme
  • Konformationsänderung

  • Funktionsverlust durch Denaturierung
Temperatur, Säure, Alkohol

BPE 2.5

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Bedeutung von Biokatalysatoren für biotechnologische Produktionsprozesse und vergleichen die Verwendung von Zellen bzw. Enzymen als Biokatalysatoren.

Biotechnologischer Einsatz

  • Lebensmittelproduktion: Starterkulturen

  • Käseherstellung: Chymosin

  • HFCS: Amylasen, Isomerasen
High Fructose Corn Syrup
  • Waschmittelenzyme: Proteasen, Lipasen

Zelluläre Biokatalysatoren: Reaktionsketten
Milchsäuregärung

BPE 2.6

Die Schülerinnen und Schüler leiten aus Versuchen die Funktion von Enzymen als Biokatalysatoren ab.

Versuche
z. B. Zersetzung von Harnstoff, H2O2
Aktivierungsenergie, Umsatzrate
Energie-Reaktionsverlauf-Diagramm
Reaktion über veränderten Reaktionsweg
Stabilisierung eines Übergangszustandes
Aktives Zentrum: Enzym-Substrat-Komplex
katalytische Oberfläche; Wechselwirkungen
Substratspezifität
komplementäre Oberflächenstrukturen; Affinität
Wirkungsspezifität
spezifische Wechselwirkungen im aktiven Zentrum
Temperatur‑, pH-Wert-Optimum
Umsatzrate – Temperatur/pH-Wert – Diagramm
Eigenschaften eines Katalysators
Regeneration von Cofaktoren erforderlich

BPE 2.7

Die Schülerinnen und Schüler stellen Hypothesen zur Optimierung der biotechnologischen Verwendung von Enzymen auf und nennen Einsatzmöglichkeiten der Gentechnik.

Enzymaktivität: Spezifität, Stabilität
Enzyme Engineering
Enzymmenge: Produktion durch heterologe Expression mit vereinfachter Isolation
Chymosin als Labaustauschstoff, ethische Diskussion um Einsatz von Kälberlab

Jahrgangsstufe 1

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

20

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht

z. B.
Übungen
Anwendungen
Wiederholungen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Grippeimpfstoffe: vom Ei zu Verozellen (wissenschafts-historische Betrachtung)
„Blue Genes“-Experiment: Klonierung „ohne Gentechnik“
Anwendungsbeispiel der Gentechnik in der Medizin (Abhandlung mit Bewertung)
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 3

Biotechnologische Verfahren in der Medizin: Therapie und Diagnostik

50

Die Schülerinnen und Schülern lernen verschiedene Einsatzmöglichkeiten der Biotechnologie in der medizinischen Diagnostik und Therapie kennen, die es heute und in Zukunft ermöglichen werden, gezielt Krankheiten zu diagnostizieren und individuell zu therapieren. Sie erkennen, dass bei der medizinischen Diagnostik und Therapie typische Verfahren zum Einsatz kommen und dass viele dieser Verfahren auf gentechnischen Methoden basieren. Um gentechnische Methoden einordnen zu können, erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler die prinzipiellen Grundlagen zur Weitergabe und Realisation der genetischen Information in Zellen und übertragen diese dann auf das in der biotechnologischen Produktion zentrale Verfahren der heterologen Expression.
Mit der Betrachtung der Methoden zur DNA-Typisierung lernen die Schülerinnen und Schüler deren Potenzial in Bezug auf eine genetische Diagnostik kennen. Sie erkennen aber auch, dass solche Technologien negative Auswirkungen haben können. Dies machen sich die Schülerinnen und Schüler bewusst, indem sie zu Beginn und zum Abschluss der Einheit eine Bewertung gentechnischer Methoden im Anwendungsbereich Medizin vornehmen. Dabei vollziehen sie einen Lernprozess, der sie erkennen lässt, dass eine vertiefte Auseinandersetzung mit den den Verfahren zugrundeliegenden Technologien eine unabdingbare Voraussetzung für eine differenzierte Betrachtung und Bewertung darstellt.

BPE 3.1

Die Schülerinnen und Schüler ermitteln Anwendungsfelder der Biotechnologie im Bereich der Medizin und beschreiben Zielsetzungen. Sie stellen Beispiele aus den Anwendungsfeldern dar und diskutieren deren Chancen und Risiken.

Anwendungsfelder in der Medizin
Literatur- und Internetrecherche
  • Prophylaxe: Impfstoff-Produktion
z. B. Grippe-Impfstoff
  • Diagnostika: Immunglobulin-Produktion
z. B. für ELISA-basierte Verfahren
  • Regenerative Medizin: Produktion individualisierter Stammzellen, Gewebe
Problematik: Gewebeabstoßung;
z. B. therapeutisches Klonen, Xenotransplantate
  • Therapeutika-Produktion
z. B. Insulin, EPO, Wachstumsfaktoren, Antikörper
Präsentation, Diskussion, Bewertung
Pro-Contra-Diskussion

BPE 3.2

Die Schülerinnen und Schüler werten Anwendungsbeispiele hinsichtlich typischer Verfahren aus. Sie beschreiben prinzipielle Prozesse zur Produktion von therapeutischen oder diagnostischen Proteinen und leiten daraus die Notwendigkeit gentechnischer Verfahren ab.

Verfahren in der Medizin
Präsentationen, Fallstudien
Herstellung von Grippe-Impfstoffen

  • klassische Herstellung in Hühnereiern

  • Herstellung in Zellkultur mit Verozellen

Impfstoff-Herstellung in Bioreaktoren
z. B. HBV-Antigen in Hefe
Herstellung polyklonaler Antiseren

Herstellung monoklonaler Antikörper (MAK)

  • Hybridomatechnik

  • humanisierte, humanidentische Antikörper
Phage-Display-Methode
Gentechnische Verfahren

  • Gendiagnostik: PCR, DNA-Sequenzierung
z. B. für genetische Beratung, Tumorzell-Analyse
  • gentechnische Produktion von Therapeutika: Proteinproduktion durch heterologe Expression, therapeutisches Klonen, Gentherapie

Verfahren zur Protein-Produktion in Bioreaktoren

  • Insulin-Produktion in Bakterien

  • EPO-Produktion in Säugerzellen
Glykosylierung von EPO

BPE 3.3

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau von DNA, die Replikation und die Weitergabe von genetischer Information.

Träger genetischer Information

  • Prokaryoten: Bakterienchromosom, Plasmide
F-Plasmide
  • Eukaryoten: Chromatin bzw. Chromosomen, Plasmide
Kerngenom
Hefe-Plasmide
Chemischer Aufbau von DNA

  • Bausteine: Desoxyribose, Nukleobasen, Phosphat; Nukleotid
Nucleosid-Triphosphat
  • Polymer: Phosphodiesterbindung
5'-Phosphat‑, 3'-OH-Gruppe
  • Doppelstrang: Komplementarität, Antiparallelität
Wasserstoffbrücken
  • Raumstruktur: Doppelhelix-Modell

Darstellung von Nukleinsäure-Sequenzen

  • IUPAC-Code

  • Strangpolaritäten

DNA-Replikation
Kennzeichen des Lebens: Vererbung
  • semikonservativer Mechanismus: Replikationsblase, DNA Synthese am Leit-und Folgestrang, Replisom
Meselson-Stahl-Versuch
  • Funktionselemente replizierbarer DNA: Replikationsursprung (ORI); Telomere
Origin of Replication: unterschiedliche Consensus-Sequenzen bei Pro- und Eukaryoten
Konjugation bei Bakterien

  • F-Plasmide als replizierbare DNA-Elemente

  • multiresistente Bakterienstämme, horizontaler Gentransfer
R-Plasmide
Reverse Transkription bei retroviraler Vermehrung
HIV, Telomerase
  • cDNA
complementary DNA
  • Reverse Transkriptase
RNA-abhängige DNA-Polymerase
  • Voraussetzung für Integration
Vervielfältigung des Virengenoms: Transkription

BPE 3.4

Die Schülerinnen und Schüler vergleichen den Aufbau von pro- und eukaryotischen Genen und beschreiben den prinzipiellen Ablauf der Genexpression bei Pro- und Eukaryoten.

Genbegriff: Gen als Transkriptionseinheit
rRNA, tRNA als mögliches Genprodukt, vgl. BPE 2
Proteincodierendes Gen: Strukturen, Funktionselemente
Informationscharakter der DNA
  • codierender Bereich, Exons, Introns
offenes Leseraster (ORF)
  • transkribierter Bereich, UTRs, Terminator
untranslated region
  • Ribosomenbindungsstelle; Capping- und Polyadenylierungsstelle

  • Promotor, Operator, Enhancer, Silencer
Pribnow-Box, TATA-Box
Prinzipielle Schritte der Genexpression
Realisation der genetischen Information
  • Transkriptionsinitiation; Transkriptosom
Bedeutung für Genregulation
  • Transkription: RNA-Polymerase, Matrizen- und Nicht-Matrizenstrang, Ribonukleotide
„+1“-Stelle als Transkriptionsstart
NTPs: Gemisch aus ATP, CTP, GTP, UTP
  • posttranskriptionale Modifikationen: Splicing, Capping, Polyadenylierung
Splicing: Erzeugen eines ORF
  • Translation: Ribosom mit A-P-E-Stellen, Aminoacyl-tRNAs, Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, mRNA, Codon, Anticodon, genetischer Code
Codontabelle
  • posttranslationale Modifikation: Proteinfaltung, Eukaryoten-typische Modifikationen
Glykosylierung von z. B. Immunglobulinen, EPO

BPE 3.5

Aus Unterschieden im Genaufbau, in der Weitergabe und in der Realisation genetischer Information leiten die Schülerinnen und Schüler Problemstellungen und Lösungsansätze hinsichtlich heterologer Expressionen ab.

Problemstellungen
Produktion von Humaninsulin in E. coli
  • Intron-Problematik: Reverse Transkription, cDNA
cDNA als klonierbare mRNA-Kopie
  • Wirtszelle, Expressions-Steuerelemente

Heterologe Expression: prinzipielle Schritte

  • Isolation der spezifischen RNA, cDNA-Synthese
Wahl eines geeigneten Ausgangs-Gewebes oder ‑Zelltyps
  • vektorbasierter Transfer der cDNA in Wirtszellen, Replikation
Plasmide als replizierbare DNA-Moleküle, cDNA als Transgen
  • Expression der cDNA mittels Wirtszellen-spezifischer Steuerelemente
Wirtszellen-spezifischer Promotor, Terminator; Ribosomenbindungsstelle

BPE 3.6

Die Schülerinnen und Schüler nennen Funktionselemente eines bakteriellen Expressionsvektors und erläutern deren Bedeutung für eine heterologe Expression. Sie beschreiben prinzipielle Schritte einer Klonierung in Bakterien.

ORI
Origin of Replication
MCS
Multiple Cloning Site
Expressionskassette: Promotor, Terminator
Promotor meist regulierbar über Operator
Selektionsmarker
bla-Gen
Plasmidbasierte Klonierung, prinzipielle Schritte
Einbau des Transgens in die Expressionskassette
  • Präparation von Vektor- und Insert-DNA
Plasmid-DNA-Isolation; reverse Transkription, PCR
  • Restriktion von Vektor- und Insert-DNA
Versuche: Restriktionskartierung eines Plasmids
  • Ligation von Vektor und Insert

  • Transformation

  • Selektion und klonale Vermehrung von Transformanten

BPE 3.7

Die Schülerinnen und Schüler stellen die spezifische Endonuclease-Aktivität von Restriktionsenzymen dar. Sie analysieren die Bedeutung von Restriktionsenzymen für Klonierungen.

Restriktionsenzyme
TypII-Restriktionsendonucleasen
  • Restriktionsstelle: spezifisches Sequenzmotiv, palindromisch

  • Endonuclease-Aktivität: Hydrolyse spezifischer Phosphoesterbindungen, symmetrische Schnittführung
schematische Darstellung an entsprechenden dsDNA-Sequenzmotiven
  • Fragment-Enden: glatt bzw. 5'- oder 3'-überhängend, Ligations-kompatibel
blunt ends, sticky ends

BPE 3.8

Die Schülerinnen und Schüler stellen den Aufbau des Lac-Operons dar und beschreiben die regulierte Genexpression bei Prokaryoten nach dem Prinzip der Substratinduktion. Sie beschreiben dessen Anwendbarkeit auf eine heterologe Expression und erklären Vorteile einer induzierbaren heterologen Expression.

Operon-Modell: Substratinduktion am Lac-Operon

  • Regulatorgen, Regulator-Protein LacI; Promotor, Operator; Strukturgene lacZ, lacY
polycistronisches Transkript
lacA: Funktion ungeklärt, evt. Entgiftung
  • LacZ: ß-Galactosidase
Spaltung der Lactose
  • LacY: Permease
Lactose-Import
  • reprimierter bzw. induzierter Regulationszustand
Lactose-induzierte Konformationsänderung von LacI, vgl. BPE 2
  • biologische Bedeutung der Regulation: bedarfsgerechte Enzymsynthese
Ökonomie-Prinzip; Energiekosten der Genexpression
Plasmidvektor mit Lac-Expressionskassette: spezifische Funktionselemente
Expressionsvektor für eine heterologe Expression
  • lacI-Regulatorgen: LacI-Synthese
konstitutiv exprimiert
  • Lac-Promotor und ‑Operator: Induktion der Expression
mit Lactose oder nicht-abbaubarem Strukturanalogon IPTG
  • lacZ-Gensequenz mit integrierter MCS: Einbau des Transgens; Insertionskontrolle
X-Gal als chromogenes Substrat, „Blau-Weiß“-Selektion
Vorteile der Induzierbarkeit

  • Expressionsstärke
Abhängigkeit von der Toxizität des Genprodukts
  • Zeitpunkt der Expression
Zellvermehrung ohne Expressions-bedingte nachteilige Effekte

BPE 3.9

Die Schülerinnnen und Schüler nennen Anwendungsfelder der genetischen Diagnostik. Sie erläutern Verfahren der DNA-Typisierung zur Diagnose von Erbkrankheiten und interpretieren Ergebnisse solcher diagnostischer Verfahren.

Anwendungsfelder genetischer Diagnostik
z. B. Diagnose von Erbkrankheiten, Vaterschaftstest
DNA-Typisierung durch Polymerasekettenreaktion (PCR) und Gelelektrophorese: STR-Analyse
Diagnose von z. B. Chorea Huntington
Definition, Charakterisierung von STRs: Allelbegriff
Short Tandem Repeat
PCR

  • Ansatz: Template-DNA, STR-flankierenden Primern, thermostabiler Polymerase, dNTPs, Puffer
dNTPs: Gemisch aus Desoxyribonukleotiden dATP, dCTP, dGTP, dTTP
  • Ablauf: Temperaturprofil mit Denaturierung, Hybridisierung, Elongation
Thermocycler
  • zyklische Amplifikation

DNA-Gelelektrophorese
Analyse der PCR-Fragmente
  • Aufbau eines Gels, Laufverhalten der DNA

  • DNA-Detektion durch Farbstoffe: Banden

  • Längenstandard: Fragmentlängen

Interpretation des Elektropherogramms

  • Bandenanzahl, Fragmentlängen
heterozygot, homozygot; Allelzuordnung
  • Genotyp, Phänotyp

DNA-Typisierung durch Sequenzierung: Nachweis von Punktmutationen
Diagose von z. B. cystischer Fibrose, Sichelzellanämie
Punktmutationen: stille Mutationen, Nonsense- und Missense‑, Rasterschub-Mutationen

Kettenabbruch-Methode

  • Ansatz: Template-DNA, Primer, DNA-Polymerase, dNTPs, fluoreszenzmarkierte ddNTPs, Puffer; statistischer Kettenabbruch
ddNTPs: Didesoxyribonucleotide
  • Analyse: gelelektrophoretische Trennung, fluoreszenzbasierte Detektion

Interpretation des Elektropherogramms

  • Sequenzunterschiede: mutiert, nicht-mutiert

  • veränderte Primärstruktur des Proteins, Grad der Funktionsveränderung

  • Genotyp, Phänotyp

BPE 3.10

Die Schülerinnnen und Schüler bewerten ein Anwendungsbeispiel gentechnischer Verfahren im Bereich der Medizin.

Aspekte
angelehnt an Technikfolgenabschätzung
  • Problemstellung, Begründung für das Verfahren

  • Darstellung der technischen Umsetzung

  • Beitrag der Gentechnik

  • Probleme, Risiken des Verfahrens

  • Alternativen mit Bewertung

Jahrgangsstufe 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

16

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht

z. B.
Übungen
Anwendungen
Wiederholungen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Alternativen zur klassischen Grünen Gentechnik
Erzeugung von Nutzpflanzen mit dem CRISPR/Cas-Verfahren
Erzeugung von Zellkulturen, Geweben, Organismen über iPS- Zellen
Vergleich von Bioenergie-Verfahren (Durchführung, Ertrag, Umweltbilanz)
Problematik und Methodik der Spurenstoff-Elimination aus Abwässern (Recherche, Laborübungen)
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 4

Anwendung biotechnologischer Verfahren in der Landwirtschaft

20

Die Schülerinnen und Schülern lernen die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Biotechnologie in der Landwirtschaft kennen. In der Auseinandersetzung mit Zielsetzungen des Einsatzes bzw. der Methodik des Erzeugens transgener Pflanzen erkennen sie, dass scheinbar geradlinige Lösungsansätze im Detail erhebliche Probleme im Hinblick auf das Erreichen der gesetzten Ziele mit sich bringen können. Dies gilt insbesondere dann, wenn es um die Nachhaltigkeit der entsprechenden Verfahren geht.
Der Einsatz transgener Tiere im Bereich des Gene Pharmings oder auch zur Nahrungsmittel-Produktion zeigt den Schülerinnen und Schülern das Potenzial gentechnischer Methoden auf, speziell mit Hinblick auf die Ökonomisierung der Prozesse. Ihnen wird bewusst, dass es hinsichtlich des Einsatzes transgener Tiere auch Interessenskonflikte geben kann, ähnlich wie bei der Anwendung biotechnologischer Verfahren im Bereich der regenerativen Energien. Sie verstehen, dass der Umgang mit und das Lösen von solchen Interessenskonflikten eine wichtige gesamtgesellschaftliche Aufgabe darstellt, zu der sie ihren Beitrag leisten müssen.

BPE 4.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die klassische Züchtung von Nutzpflanzen als landwirtschaftliche Methode und diskutieren Optimierungsmöglichkeiten. Sie fassen Zielsetzungen des Einsatzes biotechnologischer Verfahren zur Optimierung von Nutzpflanzen zusammen.

Züchtungsziele

  • Ertrag

  • Geschmack

  • Inhaltssoffe

  • Resistenz
abiotisch: z. B. Hitze; biotisch: Schädlinge
Grundlagen der Züchtung

  • zufällige Mutationsereignisse

  • Selektion nach Merkmalen

  • gezielte Kreuzung

Optimierung
CRISPR/Cas-Methode
  • gezielte Veränderung oder Zerstörung vorhandener genetischer Information
Gen-Ersatz oder Gen-Knockout
  • zusätzliche genetische Information
Gen-Addition
Transgene Pflanzen, Zielsetzungen

  • Herbizid-Resistenzen
Ökonomie-Prinzip
  • veränderte Qualität bzw. Quantität von Inhaltsstoffen
bei züchterisch nicht realisierbaren Eigenschaften,
z. B. Ölqualität, Mais mit Lysin, Aromen
  • Ertragssteigerung bei nachwachsenden Rohstoffen
Modifikation von Stoffwechselwegen durch heterologe Expression; z. B. bei Cellulose
  • Produktion von humanen rekombinanten Therapeutika
Plant Made Pharmaceuticals, z. B. MAK 2G12

BPE 4.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben exemplarisch die gentechnische Veränderung von Pflanzen und erörtern Anwendungsbeispiele für gentechnisch veränderte Pflanzen.

Gentransfer mit Ti-Plasmid

  • Aufbau Ti-Vektor: T-Region, Virulenzregion, Selektionsmarker, ORI
vgl. BPE 3
  • prinzipielle Schritte: Transformation, Selektion von A. tumefaciens; Infektion und Selektion von Pflanzenzellen, Regeneration transgener Pflanzen
Agrobakterium tumefaciens; vgl. BPE 3
Glyphosat-Resistenz

  • Glyphosat: Hemmung der EPSP-Synthase
Biosynthese aromatischer Aminosäuren
  • Resistenz: durch bakterielle CP4-EPSP-Synthase
heterologe Expression
Glufosinat-Resistenz

  • Glufosinat: Hemmung der Glutamin-Synthetase
Zytotoxizität von Ammonium-Ionen
  • Resistenz: durch bakterielles pat-Gen
Phosphinothricin-Acetyl-Transferase
Einsatz Herbizid-resistenter Pflanzen: Probleme

  • Wildkräutern-Resistenzen
horizontaler Gentransfer, Selektionsdruck
  • Veränderung von Ökosystemen
Auswirkungen von Monokulturen
  • Nachhaltigkeit
alternative Anbaumethoden
Golden Rice

  • Beta-Carotin als Inhaltsstoff

  • Probleme: Decken des Vitaminbedarfs, Akzeptanz
ernährungsphysiologische Kontroversen; alternative Versorgung mit Vitamin A

BPE 4.3

Die Schülerinnen und Schüler nennen Zielsetzungen für die Verwendung gentechnisch veränderter Nutztiere. Sie beschreiben Verfahren zur Herstellung transgener Tiere und zu deren Vermehrung unter Beibehaltung der wertvollen Eigenschaften.

Transgene Tiere, Zielsetzungen

  • Steigerung der Muskelmasse
bei Schafen, CRISPR/Cas-Verfahren
  • Resistenz-Entwicklung
Maul- und Klauenseuche, RNAi-Prinzip
  • Produktion wertvoller Milchinhaltsstoffe
Lactoferrin
  • Produktion rekombinanter Wirkstoffe
Gene Pharming; Antithrombin, Lysozym
Herstellung transgener Tiere, prinzipielle Schritte

  • genetische Manipulation von befruchteten Oocyten oder embryonalen Stammzellen (ES), Transfer der ES-Zellen in Blastocyste
Gentransfer durch z. B. Mikroinjektion
iPS-Zellen
  • Embryonenkultur

  • Embryonentransfer in Ammentier

  • Auskreuzen, Selektion auf Transgen
Selektionsmarker; PCR; vgl. BPE 3
Reproduktives Klonen

  • Kerntransfer-Methode
Klonschaf Dolly
  • Embryonensplitting

BPE 4.4

Die Schülerinnen und Schüler bewerten die Verwendung von transgenen Tieren und Pflanzen unter Berücksichtigung verschiedener gesellschaftlicher Perspektiven.

Landwirtschaftliche Verbände

Verbraucherzentrale

Tierschutzbund
Tierschutzgesetz
Pharmaunternehmen

BPE 4.5

Die Schülerinnen und Schüler stellen den Aufbau einer Biogasanlage dar und beschreiben den Beitrag der Biotechnologie zur Produktion regenerativer Energien aus Biomasse. Sie überprüfen die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit der verschiedenen biotechnologischen Anwendungen.

Biogasanlage

  • Fest- und Flüssigstoffzufuhr
kontinuierliche Zufuhr von z. B. Mais, Silage, Gülle
  • Biogasreaktor mit Rührwerk und Reaktortemperierung

  • Separator zur Fest-Flüssig-Trennung
kontinuierliche Entnahme
  • Modul zur Gasreinigung

  • Blockheizkraftwerk (BHKW)

Biogasproduktion

  • Produzenten: anaerobe Bakterien
Hydrolyse, Acido‑, Aceto‑, Methanogenese
  • Substrat: hochwertige Kohlenhydrate und N‑, P-haltige Gülle
Nachhaltigkeit, z. B. Teller-Tank-Diskussion, Primärenergieeinsatz
  • Produkt: Biogas
Gemisch aus CH4, H2, CO2, H2S
  • Aufreinigung: Trocknung, Entschwefelung

  • Verwertung: BHKW, Einspeisen in Gasnetz
Fernwärme
Biokraftstoffe

  • Produzenten: Bakterien, Hefen

  • Bioethanol aus Cellulose
z. B. Kohlenstoffbilanz der Böden
  • Algenbioreaktoren: Biodiesel, Öle
z. B. Qualität der Öle
Biobrennstoffzelle
z. B. Machbarkeit kontinuierlicher Prozessführung;
Versuche: Hefe/Glucose/Methylenblau-Modell

BPE 5

Bedeutung von Biokunststoffen und deren Herstellung mithilfe biotechnologischer Verfahren

10

Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Problematik der Herstellung und des Verbrauchs von Kunststoffen aus fossilen Rohstoffen hinsichtlich der Umweltbilanz. Sie lernen Kunststoffe aus kompostierbaren Rohstoffen bzw. aus regenerativen Quellen als Alternative kennen. Die Schülerinnen und Schülern diskutieren den Einsatz biotechnologischer Verfahren zur Reduktion der Alt-Kunststoffbelastung.

BPE 5.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die zunehmende Problematik von Kunststoffrückständen in der Umwelt. Sie vergleichen Kunststoffe hinsichtlich Rohstoffgrundlage, Haltbarkeit und Bioabbaubarkeit.

Kunststoffe in der Umwelt

  • Makroplastik
Gewässer- und Umweltbelastung
  • Mikroplastik
Anlagerung von Schadstoffen, Anreicherung in Nahrungsketten
Definitionen

  • konventionelle Kunststoffe
z. B. PE, PP, PVC, PS
  • biobasierte Kunststoffe, Biokunststoffe

  • biologisch abbaubare Kunststoffe

Chemischer Aufbau von Biokunststoffen

  • Poly-Hydroxybuttersäure (PHB)

  • Poly-Milchsäure (PLA)

Physikalische Eigenschaften von Kunststoffen
UV‑, Temperaturbeständigkeit, Belastbarkeit
Biologischer Abbau von Kunststoffen
z. B. Abbau von PET; Versuche: Kompostierung von PLA-Tüten

BPE 5.2

Die Schülerinnen und Schüler untersuchen die biotechnologische Produktion eines Biokunststoff-Monomers und nennen Optimierungsmöglichkeiten des Verfahrens. Sie beschreiben Prozesse zur Gewinnung des Polymers aus den Monomeren.

Mikrobielle Milchsäure-Herstellung

  • Milchsäuregärung, Glucose als Substrat
Versuch: Herstellung von Milchsäure
  • gentechnische Optimierung: vereinfachte Aufreinigung, Ertragssteigerung

Produktion von Poly-Milchsäure:

  • Veresterung von Milchsäure
Versuche: Veresterung bei 140 – 180° C, katalytische Zinnverbindungen
  • Isolation und Aufreinigung

  • Produktqualität

BPE 6

Umweltbiotechnologie

10

Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Bedeutung von Stoffkreisläufen in der Natur und begreifen, dass diese als Vorbild für eine biotechnologische Reinigung und Sanierung der belasteten Umwelt dienen können. Am Beispiel der kommunalen Kläranlage machen sie sich den Beitrag der Biotechnologie zur Reinigung von Abwässern bewusst. Sie erkennen aber auch die Grenzen biotechnologischer Verfahren, nicht zuletzt vor dem Hintergrund der Problematik der Spurenstoff-Elimination. Die Schülerinnen und Schüler werden so in Bezug auf ihren eigenen Umgang mit Problemstoffen sensibilisiert.

BPE 6.1

Die Schülerinnen und Schüler stellen natürliche Stoffkreisläufe dar und erläutern Ursachen und Auswirkungen von Gewässerbelastungen. Sie beschreiben die Charakterisierung von Gewässern und Abwässern.

Stoffkreisläufe in der Umwelt
Kohlenstoff‑, Stickstoffkreislauf
Belastung von Gewässern

  • N‑, P‑, C- Belastung, Eutrophierung
Gülleproblematik, Nitrat im Trinkwasser
  • nicht-abbaubare Schadstoffe, Toxizität
z. B. Antibiotika
Charakterisierung von Gewässern, kommunalen Abwässern

  • physikalisch-chemische Parameter
Temperatur, pH-Wert, Sauerstoffgehalt
  • Güteklasse der Gewässer

  • CSB, BSB5, Quotient aus BSB5 und CSB
chemischer, biologischer Sauerstoffbedarf

BPE 6.2

Die Schülerinnen und Schüler erläutern Aufbau und Funktion einer dreistufigen Kläranlage und beschreiben Verfahren zur C-, N- und P-Elimination. Sie untersuchen die Notwendigkeit einer vierten Reinigungsstufe zur Elimination von Spurenstoffen.

Dreistufige Kläranlage
Exkursion
  • mechanische Reinigung: Abtrennung ungelöster Stoffe

  • biologische Reinigung: C‑, N-Elimination; mikrobielle P-Elimination
Bildung mikrobieller Polyphosphate, „Luxury Uptake“
  • chemische Reinigung: P-Elimination
Ausfällung
C‑, N-Elimination

  • Belebtschlammbecken, aerob: Oxidation von Kohlenstoffverbindungen zu CO2 und H2O; Oxidation von NH4+ zu NO2- und NO3-
vereinfacht: aerobe Dissimilation von Glucose; Nitrifikation; Summengleichungen
  • Belebtschlammbecken, anaerob: Reduktion von NO3- zu N2
Denitrifikation, Summengleichungen
  • Faulturm, anaerob:
    Umsatz organischer Stoffe zu CH4 und CO2
vgl. BPE 4
Problematik der Spurenstoff-Elimination
z. B. Elimination von Antibiotika
Vierte Reinigungsstufe: Reinigung durch Aktivkohle, Ozonierung, UV-Bestrahlung, Mikrofiltration
Recherche; Versuche: Elimination eines Antibiotikums durch z. B. UV-Bestrahlung, Nachweis mittels z. B. Hemmhof-Analyse

Operatorenliste

In den Zielformulierungen der Bildungsplaneinheiten werden Operatoren (= handlungsleitende Verben) verwendet. Diese Zielformulierungen (Standards) legen fest, welche Anforderungen die Schülerinnen und Schüler in der Regel erfüllen. Zusammen mit der Zuordnung zu einem der drei Anforderungsbereiche (AFB) dienen Operatoren einer Präzisierung. Dies sichert das Erreichen des vorgesehenen Niveaus und die angemessene Interpretation der Standards.

Anforderungsbereiche
Anforderungsbereich I umfasst das Wiedergeben von Sachverhalten aus einem abgegrenzten Gebiet im gelernten Zusammenhang, das Beschreiben und Anwenden gelernter und geübter Arbeitstechniken und Verfahrensweisen in einem wiederholenden Zusammenhang.
Anforderungsbereich II umfasst das selbstständige Auswählen, Anordnen, Verarbeiten und Darstellen bekannter Sachverhalte unter vorgegebenen Gesichtspunkten in einem durch Übung bekannten Zusammenhang, das selbstständige Übertragen des Gelernten auf vergleichbare neue Situationen mit veränderten Fragestellungen, mit veränderten Sachzusammenhängen oder mit abgewandelten Verfahrensweisen.
Anforderungsbereich III umfasst das planmäßige Verarbeiten komplexer Gegebenheiten mit dem Ziel, zu selbstständigen Gestaltungen bzw. Deutungen, Folgerungen, Begründungen und Wertungen zu gelangen; dabei werden aus den gelernten Denkmethoden bzw. Lösungsverfahren diejenigen, die zur Bewältigung der Aufgaben geeignet sind, selbstständig ausgewählt und einer neuen Problemstellung angepasst.
(vgl. Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Biotechnologie des Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg i. d. F. vom 30.11.2003)
Operator Definition Zuordnung AFB
ableiten
auf der Grundlage wesentlicher Merkmale sachgerechte Schlüsse ziehen
II, III
analysieren, untersuchen
wichtige Bestandteile oder Eigenschaften auf eine bestimmte Fragestellung hin herausarbeiten. Untersuchen beinhaltet gegebenenfalls zusätzlich praktische Anteile
II, III
angeben, nennen
Elemente, Sachverhalte, Begriffe, Daten ohne Erläuterungen aufzählen
I
auswerten
Daten, Einzelergebnisse oder andere Elemente in einen Zusammenhang stellen und gegebenenfalls zu einer Gesamtaussage zusammenführen
II
begründen
Sachverhalte auf Regeln und Gesetzmäßigkeiten bzw. kausale Beziehungen von Ursachen und Wirkung zurückführen
II, III
beschreiben
Strukturen, Sachverhalte oder Zusammenhänge strukturiert und fachsprachlich richtig mit eigenen Worten wiedergeben
I, II
beurteilen
zu einem Sachverhalt ein selbstständiges Urteil unter Verwendung von Fachwissen und Fachmethoden formulieren und begründen
III
bewerten
einen Gegenstand an erkennbaren Wertkategorien oder an bekannten Beurteilungskriterien messen
III
darstellen
Sachverhalte, Zusammenhänge, Methoden etc. strukturiert und gegebenenfalls fachsprachlich wiedergeben
I, II
deuten, interpretieren
fachspezifische Zusammenhänge in Hinblick auf eine gegebene Fragestellung begründet darstellen
II, III
diskutieren, erörtern
Argumente und Beispiel zu einer Aussage oder These einander gegenüberstellen und abwägen
III
erklären
einen Sachverhalt auf Regeln und Gesetzmäßigkeiten zurückführen sowie ihn nachvollziehbar und verständlich machen
II, III
erläutern
einen Sachverhalt veranschaulichend darstellen und durch zusätzliche Informationen verständlich machen
II, III
ermitteln
einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren
II, III
Hypothese aufstellen, Hypothese entwickeln
begründete Vermutung auf der Grundlage von Beobachtungen, Untersuchungen, Experimenten oder Aussagen formulieren
III
protokollieren
Beobachtungen oder die Durchführung von Experimenten detailgenau zeichnerisch einwandfrei bzw. fachsprachlich richtig wiedergeben
I
prüfen, überprüfen
Sachverhalte oder Aussagen an Fakten oder innerer Logik messen und eventuelle Widersprüche aufdecken
II, III
skizzieren
Sachverhalte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentliche reduziert übersichtlich grafisch darstellen
I, II
Stellung nehmen
zu einem Gegenstand, der an sich nicht eindeutig ist, nach kritischer Prüfung und sorgfältiger Abwägung ein begründetes Urteil abgeben
III
vergleichen
Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermitteln
II
zeichnen
eine möglichst exakte grafische Darstellung beobachtbarer oder gegebener Strukturen anfertigen
I
zusammenfassen
das Wesentliche in konzentrierter Form herausstellen
II
vgl. Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Biologie der KMK i. d. F. vom 05.02.2004

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