Suchfunktion

Bioinformatik

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.
Erstellen eines wissenschaftlichen Posters in elektronischer Form und dessen Präsentation mit einem Bildschirmpräsentations-programm
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 1

Dokumentation von naturwissenschaftlichen Versuchen in einem digitalen Laborjournal

20

Die Schülerinnen und Schüler nutzen eine digitale Plattform, um Versuche aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht zu protokollieren und die Versuchsergebnisse zu interpretieren. Sie erkennen, dass durch den Austausch von Materialien und durch das gemeinsame, strukturierte Bearbeiten von Aufgabenstellungen Lernerfolge verbessert werden können. Dabei lernen sie auch die für die Nutzung von digitalen Medien notwendigen Prinzipien der Datensicherheit kennen.

BPE 1.1

Die Schülerinnen und Schüler stellen Ergebnisse aus naturwissenschaftlichen Versuchen in einem digitalen Laborjournal in geeigneten Dateiformaten dar und dokumentieren diese. Sie überprüfen die erstellten Dokumentationen nach dem Peer-Review-Verfahren.

Digitale Plattform
Moodle, Labfolder; Berufsorientierung: Dokumentation von Labortätigkeiten nach GLP (Gute Laborpraxis)
  • Datensätze: Versuchsbeobachtungen, Bildmaterial, Messdaten
Laborübungen, Versuche im Unterricht; gemeinsames Bearbeiten von Datensätzen
  • Formate: Text‑, Tabellenkalkulations‑, Bilddateien
.txt, .docx, .jpeg, .xlsx

  • Dateiübersicht, Struktur der Dateiablage

BPE 1.2

Die Schülerinnen und Schüler vervollständigen die bestehende Dokumentation von Versuchen mit erläuternden Dateien. Auf dieser Basis werten sie die Versuchsergebnisse aus und nehmen Stellung zu Versuchsdurchführung und Versuchsergebnis.

Datensätze: theoretische Grundlagen
Unterrichtsmaterialien; Schemata, Exzerpte
Auswertung
Diskussionsforum
  • Interpretation der Beobachtungen

  • grafische Darstellung und Auswertung von Messdaten, Interpretation der Daten
vgl. BPE 2
  • Interpretation der Versuchskontrollen und beschreibende Fehlerbetrachtung

Dokumentierte Stellungnahme
Format: .pdf

BPE 1.3

Die Schülerinnen und Schüler begründen die Notwendigkeit für den sicheren Umgang mit Daten bei der Nutzung des Laborjournals als digitales Medium. Sie bewerten Richtlinien für die Vergabe von Nutzungsrechten.

Datenschutz
Datenschutz-Grundverordnung
Datensicherheit

  • Authentifizierung
durch Login
  • Vergabe von Zugangs- und Bearbeitungsrechten
Autorenkontrolle

BPE 2

Anwendung eines Tabellenkalkulationsprogrammes zur Auswertung und Darstellung von naturwissenschaftlichen Daten

10

Die Schülerinnen und Schüler wenden ein Tabellenkalkulationsprogramm zur Erfassung und Darstellung naturwissenschaftlicher Daten an. Sie gewinnen die Erkenntnis, dass die durch das Programm gegebenen Auswertungs- und Darstellungsmöglichkeiten die Aufbereitung der Daten verbessern können. Dabei vertiefen sie ihr eigenes Verständnis für das Datenmaterial und dessen Interpretation. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass durch die Form der Darstellung die Interpretation der Daten bis zu einem gewissen Maß gelenkt werden kann. So werden sie im Umgang mit entsprechenden Diagrammen in Bezug auf deren Interpretation sensibilisiert.

BPE 2.1

Die Schülerinnen und Schüler stellen naturwissenschaftliche Daten in einem Tabellenkalkulationsprogramm dar und werten sie mithilfe eines Rechenblatts aus.

Eingabe von Daten

  • Zellformate

  • Daten importieren
vgl. BPE1
Auswerten von Daten
vgl. Informatik, Eingangsklasse
  • Formeln

  • Einsatz von Funktionen: WENN, VERWEIS, SUMME, MITTELWERT, ANZAHL, MAX, MIN
LOG10
  • relative Zelladresse

  • absolute Zelladresse

BPE 2.2

Die Schülerinnen und Schüler erstellen Diagramme zu den auf einem Rechenblatt erfassten Daten. Sie definieren Diagrammtypen und begründen deren Wahl mit dem zugrundeliegenden Zahlenmaterial und dem Ziel der Visualisierung.

Diagramm-Assistent
vgl. BPE 1
Datenquelle: Rubriken, Datenreihen

Diagrammtypen

  • Säule
z. B. Antibiogramm
  • Kreis
z. B. Inhaltsstoffe des Cytoplasmas
  • Punkt (XY)
z. B. Wachstumskurve

BPE 2.3

Die Schülerinnen und Schüler wenden zusätzliche Diagrammelemente für eine vertiefte Auswertung der Daten an und diskutieren die Aussagekraft des erstellten Diagramms.

Diagramm- und Achsentitel

Datenbeschriftung

Legende

Trendlinien
Datenlücken
Aussagekraft: Kriterienkatalog
z. B. Datenauswahl, Achsenausschnitte; objektive versus manipulative Darstellung

BPE 3

Erstellen von Animationen und Lernvideos zur Erläuterung von zell- oder molekularbiologischen Vorgängen

20

Die Schülerinnen und Schüler erkennen das Potenzial von Animationen und Videosequenzen zur modellhaften Darstellung von komplexen zellulären oder molekularen Vorgängen. Sie nutzen die selbst erstellten Modelle zur Visualisierung und Erklärung der entsprechenden Abläufe. Dabei reflektieren sie Eigenschaften bzw. Kennzeichen, die Lernvideos aufweisen sollten, um ihre Funktion erfüllen zu können.

BPE 3.1

Die Schülerinnen und Schüler erweitern ihre Kenntnisse über Bildschirmpräsentationsprogramme um die Animation von Objekten. Sie stellen einen einfachen biologischen oder chemischen Ablauf modellhaft dar.

Einfügen von Formen, Symbolen, Textfeldern, Grafiken als animierbare Objekte
vgl. Informatik, Eingangsklasse
Anordnen, Gruppieren, Positionieren von Objekten

Animation von Objekten, Effektoptionen
z. B. Erscheinen, Verblassen, Rotieren
Erstellen von Animationspfaden
z. B. benutzerdefinierte Pfadanimation
Verbinden der animierten Objekte zur Darstellung eines Ablaufs
z. B. Modell zum Binden eines Substrats an ein Enzym

BPE 3.2

Die Schülerinnen und Schüler wenden Videobearbeitungsprogramme zum Erstellen eines Lernvideos an.

Importieren von Fotos und Videosequenzen
Einsatz von Tablets
Schneiden, überblenden von Videosequenzen
Stop-Motion-Technik
Einfügen von Titeln, Untertiteln

Erstellen einer Tonspur: Audiokommentar
Datenschutz; Urheberrecht

BPE 3.3

Die Schülerinnen und Schüler erläutern einen komplexen Vorgang unter Anwendung von Bildschirmpräsentations-, Animations- oder Videobearbeitungsprogrammen zum Erstellen eines Lernvideos. Sie diskutieren und beurteilen die Qualität des Lernvideos.

Visualisierung eines zell‑, molekularbiologischen oder chemischen Vorgangs
vgl. Biotechnologie, Eingangsklasse: z. B. Mitose, Stofftransport, DNA-Replikation
vgl. Chemie, Eingangsklasse: z. B. Lösungsvorgang
Diskussion, Qualitätsbeurteilung: Kriterienkatalog
z. B. fachliche Korrektheit, technische Umsetzung

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.
Sequenzanalyse: Untersuchung verschiedener Aspekte der Genstruktur und ‑funktion (Insulingen)
Sequenzanalyse: Vergleich von Kleingenomen (HIV-Stämme)
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 4

Biologische Moleküle als Informationsträger

12

Als Grundlage für die bioinformatische Analyse von Sequenzdaten machen sich die Schülerinnen und Schüler die Bedeutung der Proteine und Nukleinsäuren als zentrale Bestandteile des Informationsspeicher- und Informationsumsetzungssystems von Zellen bewusst. Aus der Betrachtung von Genstrukturen leiten sie ab, dass sich der Informationsgehalt von DNA nicht nur auf die Codierung von Bauplänen beschränkt, sondern auch die Steuerung der Genexpression umfasst. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass das Speichermedium DNA ein enormes Potenzial hinsichtlich technologischer Anwendungen aufweist und in seiner Komplexität auch die Verwendung bioinformatischer Methoden zur Analyse erfordert.

BPE 4.1

Die Schülerinnen und Schüler benennen zelluläre Biomakromoleküle und deren prinzipielle Funktion. Sie identifizieren Nukleinsäuren und Proteine als die wesentlichen informationstragenden sowie funktionellen Moleküle und beschreiben deren chemischen Aufbau.

Polysaccharide, Lipide, Proteine, Nukleinsäuren

Aufbau der Nukleinsäuren
vgl. Biotechnologie, Eingangsklasse
  • Nukleotid-Symbole: A, C, G, T, U

  • RNA als Einzel‑, DNA als Doppelstrang

  • Strangpolaritäten
vgl. BPE 6
Aufbau der Proteine
vgl. Biotechnologie, Eingangsklasse
  • Aminosäuren: Ein-Buchstabencode
Sekundär‑, Tertiär‑, Quartärstrukturen
  • Strangpolaritäten
vgl. BPE 6
  • chemische Eigenschaften der Aminosäure-Seitenketten
unpolar, polar ungeladen, basisch, sauer

BPE 4.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Struktur und die prinzipiellen Funktionselemente von pro- und eukaryotischen Genen. Anhand ausgewählter Funktionselemente stellen sie die Funktionsweise von DNA als biologischen Informationsspeicher dar.

Codierender Bereich, Exons, Introns
vgl. Biotechnologie, Jahrgangsstufe 1
Transkribierter Bereich, UTR, RBS, Terminator
untranslated region; Ribosomenbindungsstelle
Promotor, Operator, Enhancer, Silencer

Capping- und Polyadenylierungsstelle

Textverarbeitungsdokument: Sequenzvergleich, Consensus-Motive
von Hand; vgl. BPE 8¸Pribnow- oder TATA-Box¸ Shine-Dalgarno-Sequenz
Rechenblatt: konzeptionelle Transkription und Translation
vgl. Biotechnologie, Jahrgangsstufe 1

BPE 4.3

Die Schülerinnen und Schüler kennzeichnen die Codierungsmöglichkeiten von DNA und anderen informationstragenden Medien. Sie entwickeln Strategien zur Umwandlung und Speicherung von Texten als DNA-Molekül.

Nukleotid als Speichereinheit

Codon bzw. Sequenzmotiv als Datenmenge

Binär- bzw. Quartärcode
Bit, Byte
Alphabet als Sprach- und Textcode
Cäsarcode
Umcodieren von Texten in DNA-Code
ASCII-Tabelle; „Shakespeares Sonette in DNA“

BPE 4.4

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das Potenzial der DNA als modernes Speicher- und Kennzeichnungsmedium.

Speicherkapazität, Datendichte

Haltbarkeit des Datenträgers

Kosten, Nachhaltigkeit
technologische Entwicklung
DNA-Code zur Produktkennzeichnung
SigNature-T-Technologie, digitale Wasserzeichen in synthetischen Genen und Genomen

BPE 5

Genomik: Generierung, Verwaltung und Auswertung biologischer Sequenzdaten

6

Aus der Erkenntnis heraus, dass biologische Sequenzdaten Informationen zum Verständnis zellulärer Prozesse liefern können, beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit der Genomik als der Disziplin, die Sequenzdaten in großem Maßstab generiert, verwaltet und auswertet. Sie erkennen, dass bioinformatische Methoden zur Bewältigung der anfallenden Datenmengen unerlässlich sind. Ihnen wird bewusst, dass die Genomik letztendlich darauf abzielt, die Funktion gesamter Genome, sowie deren Entstehung in der Evolution offenzulegen.

BPE 5.1

Die Schülerinnen und Schüler benennen Vorgehen und Zielsetzungen der Genomik, z. B. in Form eines Advance Organizers.

Genom-Sequenzierungsprojekte
Human Genome Organisation (HUGO)
Aufbereitung der Daten, Analyse: Datenbanken
vgl. BPE 6, z. B. OMIM-Datenbank am NCBI
Zielsetzungen der Genomik

  • Identifizierung von Erbkrankheiten
medizinische Diagnostik, personalisierte Medizin
  • Aufdecken von Regulationsmechanismen
Genstruktur, ‑funktion, ‑regulation
  • Verständnis der Evolution
Homologien

BPE 5.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Sequenzierung großer DNA-Moleküle auf der Basis des Schrotschuss-Verfahrens. Mithilfe von Modellsequenzen entwickeln die Schülerinnen und Schüler die prinzipielle Methodik der Sequenz-Assemblierung und überprüfen das Ergebnis.

Genomische Bibliothek, Klonsammlung
vgl. Biotechnologie, Jahrgangsstufe 1
Überlappende Fragmente
Restriktion, Sonifizierung
Hochdurchsatz-Sequenzierung
vgl. Biotechnologie, Jahrgangsstufe 1
Überlappende Sequenz-Fragmente, Sequenz-Contig, Sequenz-Assemblierung
Generierung überlappender Fragmente und des Contigs von Hand oder mit geeignetem Programm (z. B. CLC Sequence Viewer)

BPE 6

Nutzung von biologischen Sequenzdatenbanken

6

Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass Informationen über Nukleinsäure- und Aminosäuresequenzen in Datenbanken in bestimmten Formaten hinterlegt sind. Sie lernen allgemeine Grundsätze kennen, nach denen Informationen aus Datenbanken abgerufen werden können. Die Schülerinnen und Schüler können Informationen aus der Beschreibung eines Sequenzeintrags oder aus der Nukleotid- bzw. Aminosäuresequenz entnehmen. Dadurch wird ihnen die Bedeutung von Sequenzdatenbanken nicht nur für die Verwaltung von Sequenzdaten, sondern auch für deren Charakterisierung und damit der Analyse von Gen- oder Genomsequenzen bewusst gemacht.

BPE 6.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Darstellungsformen beispielhafter Datensätze in einer Sequenzdatenbank und erläutern deren Gliederung.

Sequenzdatenbank: Nucleotide im GenBank-Format
NCBI; vgl. auch Sequenzdatenbank Protein im GenPept-Format
Datensatz: typisches proteincodierendes Gen
Insulingen; vgl. Biotechnologie, Jahrgangsstufe 1
  • Accession Number

  • Konventionen zur Sequenz-Darstellung

  • Sequenzteile
FEATURES/translation; ORIGIN
  • Annotationsteil, Datenfelder
z. B. TITLE, AUTHORS, ORGANISM
  • FASTA-Format
Datenverarbeitung; vgl. BPE 11

BPE 6.2

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln Abfragestrategien zum zielgerichteten, auf Suchkriterien basierendem Abrufen von GenBank-Datensätzen und wenden dabei logische Operatoren an.

Textbasierte Suchkriterien
z. B. Gen-Name, Organismus
Abfragestrategien
Advanced Search
  • Datenfeld-bezogene Suchbegriffe
z. B. Homo und Datenfeld ORGANISM
  • Verwendung von Anführungsstrichen
z. B. „Homo sapiens“
  • Kombination von Suchbegriffen
AND, OR, NOT
  • Verwendung von Klammern

BPE 6.3

Die Schülerinnen und Schüler wenden eine GenBank-Abfrage zum Auffinden eines definierten Datensatzes an. Im Hinblick auf festgelegte, die Sequenz charakterisierende Aspekte, werten sie einen Datensatz aus.

Zielgerichtete Abfrage
Bedeutung der Accession Number
Analyse des Datensatzes: Annotations-Datenfelder

  • Organismus
ORGANISM: taxonomische Einordnung; vgl. BPE 10
  • Genstruktur, ‑funktion; Proteinaufbau
FEATURES; NCBI: Protein; UniProt; vgl. BPE 4,
z. B. FOXP2, Insulin, Faktor IX

BPE 7

Darstellung und Interpretation von paarweisen Sequenzvergleichen mithilfe der Dot-Plot-Methode

8

Die Schülerinnen und Schüler begreifen, dass aus Sequenzvergleichen Informationen über die Funktionen von Biomolekülen abgeleitet werden und Ergebnisse von Sequenzvergleichen grafisch dargestellt werden können. Es wird deutlich, dass dabei entstehende Muster Hinweise auf die biologische Bedeutung der entsprechenden Sequenzmotive geben. Darüber hinaus erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass entsprechende Methoden der biologischen Sequenzanalyse auch als generelle Verfahren zur Analyse von textuellen Mustern eingesetzt werden können.

BPE 7.1

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln die Methodik des Dot-Plots zum positionsweisen Vergleich von zwei Sequenzen und wenden geeignete Programme zur Generierung von Dot-Plots an. Sie ermitteln Muster in Dot-Plots und stellen Korrelationen zu einer möglichen biologischen Bedeutung dar.

Dot-Plot mit einem Rechenblatt
Methodik: Matrix mit zwei Sequenzen
Dot-Plots mit geeigneten Programmen
Gepard, YASS, Geneious, BLAST2sequences: Dot-Matrix-View
Dot-Plot-Muster

  • vollständige bzw. partielle Sequenzübereinstimmung

  • repetitive Sequenzmotive
z. B. STR
  • revertierte Sequenzmotive
z. B. revertierte Genomabschnitte als Unterscheidungsmerkmal von E. coli-Stämmen
  • homopolymere Sequenzmotive
z. B. poly(A)-Schwanz

BPE 7.2

Die Schülerinnen und Schüler erweitern den positionsweisen Sequenzvergleich um die Fenstermethode zur Generierung von Dot-Plots. Sie begründen die Bedeutung der Fenstergröße und erläutern die Bedeutung des Übereinstimmungskriteriums innerhalb eines Sequenzfensters für den Vergleich wenig ähnlicher Sequenzen.

Fenstermethode: Fenstergröße, Übereinstimmungskriterium
Wahl des Threshold z. B. 4 von 5 Sequenzpositionen des Fensters
Ausschluss zufälliger Übereinstimmungen

Dot-Plots mit homologen Genen
Codonnutzung
  • DNA/mRNA-Sequenzebene

  • Aminosäure-Sequenzebene

BPE 7.3

Die Schülerinnen und Schüler diskutieren Anwendungsmöglichkeiten der Dot-Plot-Methode als Mustererkennungsverfahren außerhalb der biologischen Sequenzanalyse.

Biologische Sequenzen als textuelle Muster

Analyse von Texten
Auffinden von textuellen Plagiaten

BPE 8

Erstellen von Sequenzalignments zur Bearbeitung biologischer Fragestellungen

10

Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass das Erstellen von Alignments als eine Methode des Sequenzvergleichs nicht nur Aussagen über den Ähnlichkeitsgrad der verglichenen Sequenzen erlaubt; vielmehr wird ihnen bewusst, dass Alignments auch die Identifikation von funktionell bedeutsamen Abschnitten in Nukleotid- oder Aminosäuresequenzen ermöglichen. In diesem Zusammenhang wird ihnen die Bedeutung der Algorithmus-Entwicklung näher gebracht. Die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass die Kenntnis von funktionell bedeutsamen Sequenzmotiven einen wichtigen Ansatzpunkt zur funktionellen Analyse von Nukleotid- oder Aminosäuresequenzen unbekannter Funktion bietet und damit einen wichtigen Beitrag hinsichtlich der Zielsetzungen der Genomik leisten kann.

BPE 8.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das Alignment als eine Methode des Sequenzvergleichs.

Definition von Alignment, Zielsetzungen
vgl. BPE 5, BPE 9
Varianten: global, lokal, paarweise, multipel; Nukleotid- oder Aminosäuresequenzen

BPE 8.2

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln einen Algorithmus zum Erstellen von paarweisen Nukleotid-Aligments und erläutern die Bedeutung von Gap-Penalties für die Score-Bestimmung.

Definition von Algorithmus
vgl. BPE 10 – 11
Needleman-Wunsch-Algorithmus
Einsatz eines Rechenblatts
  • Initialisierung einer Matrix

  • Eintrag in eine Matrix: Match, Mismatch

  • Gaps, Gap-Penalties; Score-Bestimmung

  • Back-Tracking
von Hand

BPE 8.3

Die Schülerinnen und Schüler wenden geeignete Programme zum Erstellen von Alignments an und erläutern die Bedeutung von Substitutionsmatrizen für das Alignment von Aminosäuresequenzen. Sie beurteilen erstellte Alignments auf der Basis relevanter Größen.

Paarweise globale/lokale Alignments
EMBOSS Needle/Water, BLAST2sequences
Unterschiede globale/lokale Alignments

Substitutionsmatrix: Mutationsrate, Score
BLOSUM; Clustal; vgl. BPE 9
Größen: Identity, Similarity, Gaps, Score

BPE 8.4

Die Schülerinnen und Schüler wenden multiple Nukleotid- und Aminosäure-Alignments zum Bearbeiten biologischer Fragestellungen an. Sie beurteilen die aus Alignments abgeleiteten Consensus-Sequenzen und diskutieren die Relevanz der Ergebnisse in Bezug auf die Fragestellung.

Multiple Alignments mit einem geeigneten Programm
Clustal; CLC Sequence Viewer
  • Consensus-Sequenzen
WebLogo; vgl. BPE 4
  • Unterschiede zwischen Nukleotid- und Aminosäuresequenz-Alignments
vgl. BPE 7
Publizierte Consensus-Sequenzen, Funktion
Recherche; vgl. BPE 6

BPE 9

Sequenzbasierte Datenbank-Abfragen mit BLAST

8

Die Schülerinnen und Schüler lernen die BLAST-Methode als ein unerlässliches Verfahren der Sequenzanalyse kennen. BLAST ermöglicht eine sequenzbasierte Abfrage von Sequenzdatenbanken. Ihnen wird bewusst, dass BLAST ein Instrument zur Charakterisierung neuer Sequenzen darstellt mit dem eine funktionelle Analyse erfolgen kann. Darüber hinaus erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass mittels BLAST homologe Sequenzen in unterschiedlichen Organismengruppen ermittelt und für eine vertiefte Untersuchung bekannter Sequenzen genutzt werden können, z. B. zur Identifizierung funktioneller Domänen von Proteinen.

BPE 9.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben BLAST als Datenbank-Abfrage und erklären die Vorgehensweise zu deren Durchführung. Sie erläutern die Zielsetzungen von BLAST-Abfragen und die diesbezüglichen Einsatzmöglichkeiten der BLAST-Varianten. Die Schülerinnen und Schüler werten die Ergebnisse von BLAST-Abfragen anhand vorgegebener Kriterien aus.

BLAST-Algorithmus
ohne Erläuterung der statistischen Hintergründe
BLAST-Varianten: blastn, blastp
NCBI; blastx, tblastn, tblastx
Zielsetzungen
vgl. BPE 5
Kriterien: Identities, Gaps, Positives
Graphic Summary, Descriptions, Alignments

BPE 9.2

Die Schülerinnen und Schüler wenden BLAST-Abfragen an. Sie werten angewandte Methoden des Sequenzvergleichs hinsichtlich ihres Potenzials zur Beantwortung biologischer Fragestellungen aus.

BLAST-Abfragen

  • unbekannte Sequenzen
z. B. Sequenzen von Enzym-codierenden Genen
  • funktionelle Domänen bekannter Proteine
z. B. DNA-bindende Domäne von p53
Analyse der ermittelten Datensätze
vgl. BPE 6
Anwendungsmöglichkeiten
Sequenzmotiv und Expression, z. B. Consensus-Sequenzmotive von Enhancern; Sequenz und Struktur bei Proteinen, z. B. Transmembran-Proteine; evolutionär konservierte Sequenzmotive, z. B. bei homologen Genen; vgl. BPE 10

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.
Regelung und Steuerung (vgl. Biotechnologie, Jahrgangsstufe 2): Programmieren eines Mikrocontrollers
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 10

Stammbaumrekonstruktion: Evolution, Taxonomie und molekulare Phylogenie

20

Die Betrachtung von Evolutionstheorie und Taxonomie bietet den Schülerinnen und Schülern die Basis für die Erkenntnis, dass molekulare Daten in Form von biologischen Sequenzen zur Untersuchung der Phylogenie von Organismengruppen herangezogen werden können. Mit der Anwendung verschiedener Verfahren zur Rekonstruktion von Stammbäumen gelangen die Schülerinnen und Schüler zu dem Verständnis, dass diese Verfahren Modelle der Phylogenie und damit der Evolution von Organismengruppen liefern. Diese sind zwar diskutierbar, stellen aber dennoch einen weiteren, signifikanten Beleg für die Evolutionstheorie dar. Darüber hinaus lernen die Schülerinnen und Schüler, dass die Verfahren der Stammbaumrekonstruktion mittels Sequenzdaten auch in anderen Bereichen der Biologie, wie z. B. der Epidemiologie eingesetzt werden können.

BPE 10.1

Die Schülerinnen und Schüler erläutern Belege für die Evolutionstheorie und erklären zentrale Punkte der Evolutionstheorie.

Homologien: Morphologie, Sequenzen

Konservierte molekulare Mechanismen
genetischer Code, Stoffwechselwege
Evolutionstheorie
synthetische Evolutionstheorie
  • Variation von Phänotypen, Genotypen
Mutation, Allele
  • Konkurrenz, Selektion
differentieller Reproduktionserfolg

BPE 10.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Gruppierungsmöglichkeiten von Lebewesen als Grundlage für die Phylogenetik und benennen Strukturelemente von Stammbäumen. Sie erläutern die Unterschiede zwischen verschiedenen Stammbaumtypen.

Mono‑, para‑, polyphyletisch
nach Willi Hennig; Kladistik
Äste, Knoten, Blätter; Dichotomie
zur Darstellung einer Kladistik
Kladogramm, Phylogramm

BPE 10.3

Die Schülerinnen und Schüler stellen das Konzept einer molekularen Uhr dar und erklären deren Anwendungsmöglichkeit. Sie beschreiben die prinzipiellen Grundlagen von verschiedenen Verfahren zur Rekonstruktion von Stammbäumen.

Molekulare Uhr: Austauschraten, Datierung
Ultrametrik, Dendrogramm; UPGMA
Neighbour Joining (NJ): Distanzverfahren

Maximum-Parsimony (MP): Parsimonieanalyse

BPE 10.4

Die Schülerinnen und Schüler modellieren auf der Basis eines Alignments molekulare Stammbäume mithilfe von geeigneten Programmen. Sie diskutieren Gründe für unterschiedliche Ergebnisse bei dem Einsatz verschiedener Verfahren und entwickeln Hypothesen über die Validität der einzelnen Ergebnisse. Die Schülerinnen und Schüler erläutern weitere Anwendungsmöglichkeiten der molekularen Phylogenie.

Stammbaumrekonstruktion
MEGA, PAUP, SeaView
  • Neighbour Joining (NJ) als Verfahren

  • Maximum Parsimony (MP) als Verfahren

  • Unterschiede
spezifische Annahmen bei den jeweiligen Verfahren
Weitere Anwendungsmöglichkeiten
Untersuchung von Migrationen, Herkunft des Menschen (Out-of-Africa-Hypothese), Entstehung und Ausbreitung von Virenstämmen

BPE 10.5

Die Schülerinnen und Schüler stellen das grundsätzliche Prinzip des Bootstrapping-Verfahrens dar. Sie überprüfen die Hypothesen zur Validität der ermittelten Stammbäume.

Bootstrapping als statistische Absicherung
MEGA, PAUP, SeaView
  • Schwellenwert

  • Methode des Ziehens

  • Aussagekraft für die Knoten

  • Konsensus-Baum mit Prozentwerten

Stammbaum als Modell
alternative Verfahren, z. B. Maximum Likelihood
Referenz-Stammbäume
Recherche

BPE 11

Programmierung zur Sequenzanalyse

20

Nachdem die Schülerinnen und Schüler einige Programme und Werkzeuge zur Sequenzanalyse kennengelernt und damit deren Bedeutung für die Genomik erkannt haben, soll ihnen nun die Programmierung als prinzipielle Möglichkeit der Entwicklung neuer, bedarfsgerechter Werkzeuge aufgezeigt werden. Hierzu können sie auf bereits vorhandene Grundkenntnisse der Programmierung zurückgreifen, trainieren aber in besonderer Weise die Entwicklung von spezifischen Algorithmen im Kontext der Mustererkennung als Basis der Sequenzanalyse.

BPE 11.1

Die Schülerinnen und Schüler übertragen vorhandene Grundkenntnisse der Programmierung auf die Anwendung einer Programmiersprache, die bevorzugt zur spezifischen Bearbeitung von Fragestellungen der Sequenzanalyse eingesetzt wird. Sie erweitern die Grundkenntnisse um spezifische Elemente, die für die textuelle Mustererkennung als Grundlage einer Sequenzanalyse erforderlich sind.

Programmiersprache: Python oder PERL

Elemente der Programmiersprache
vgl. Informatik, Jahrgangsstufe 1
  • Datentypen, Variablen, Ausdrücke
textuelles Muster als regulärer Ausdruck
  • Operatoren, Anweisungen

  • Kontrollstrukturen

BPE 11.2

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln einfache Algorithmen, die es ermöglichen, die spezifischen Anforderungen der Sequenzanalyse zu bearbeiten. Sie dokumentieren, kommentieren und implementieren die erarbeiteten Algorithmen.

Algorithmen für die Sequenzanalyse

  • Dateneingabe
Kommandozeile, FASTA-Dateien; vgl. BPE 6
  • Datenverarbeitung
assoziative Listen, textuelle Muster, Manipulation von Zeichenketten; vgl. BPE 4, BPE 6
  • Datenausgabe
Bildschirm, Datei
Struktogramm oder Programmablaufplan (PAP)
Nassi-Shneiderman-Diagramm
Programme für die Sequenzanalyse
Codieren in der jeweiligen Programmiersprache

BPE 11.3

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln, dokumentieren, kommentieren und implementieren einen Algorithmus zur ORF-Analyse als bioinformatisches Werkzeug der Sequenzanalyse.

Programm zur ORF-Analyse: Funktionsumfang
open reading frame; vgl. Biotechnologie, Jahrgangsstufe 1
  • Intron-lose DNA-Sequenz einlesen

  • revers-komplementären Strang erzeugen

  • alle ORF ermitteln
ATG als Startcodon; sechs mögliche Leseraster
  • Länge der ORF bestimmen, längsten ORF auswählen

  • ORF konzeptionell translatieren

  • Daten formatiert ausgeben

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 die Wiedergabe von bekannten Sachverhalten aus einem abgegrenzten Gebiet im gelernten Zusammenhang, die Beschreibung und Darstellung bekannter Verfahren, Methoden und Prinzipien der Informatik, die Beschreibung und Verwendung gelernter und geübter Arbeitstechniken und Verfahrensweisen in einem begrenzten Gebiet und in einem wiederholenden Zusammenhang.
Anforderungsbereich II umfasst die selbstständige Verwendung (Auswählen, Anordnen, Verarbeiten und Darstellen) bekannter Sachverhalte zur Bearbeitung neuer Frage- oder Problemstellungen unter vorgegebenen Gesichtspunkten in einem durch Übung bekannten Zusammenhang, die selbstständige Übertragung des Gelernten auf vergleichbare neue Situationen mit veränderten Fragestellungen, veränderten Sachzusammenhängen oder abgewandelten Verfahrensweisen, die Anwendung bekannter Verfahren, Methoden und Prinzipien der Informatik zur Lösung eines neuen Problems aus einem bekannten Problemkreis.
Anforderungsbereich III umfasst das planmäßige Verarbeiten komplexer Gegebenheiten mit dem Ziel, zu selbstständigen Gestaltungen bzw. Deutungen, Folgerungen, Begründungen, Wertungen zu gelangen; die bewusste und selbstständige Auswahl und Anpassung geeigneter gelernter Methoden und Verfahren in neuartigen Situationen, dabei werden aus gelernten Denkmethoden bzw. Lösungsverfahren die zur Bewältigung der Aufgabe geeigneten selbstständig ausgewählt und einer neuen Problemstellung angepasst.
Operator Erläuterung Zuordnung
AFB
anwenden
einen bekannten Sachverhalt, eine bekannte Methode auf eine neue Problemstellung beziehen
I, II
auswerten
Daten, Einzelergebnisse oder Sachverhalte zu einer abschließenden Gesamtaussage zusammenführen
II, III
begründen
für einen gegebenen Sachverhalt einen folgerichtigen Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung herstellen
II
benennen, nennen
Sachverhalte, Strukturen und Prozesse begrifflich aufführen
I, II
berechnen
mittels charakteristischer Merkmale einen Sachverhalt genau feststellen und beschreiben
I, II
beschreiben
Strukturen, Sachverhalte oder Zusammenhänge strukturiert und fachsprachlich richtig mit eigenen Worten wiedergeben
I, II
bestimmen
einen Zusammenhang oder einen möglichen Lösungsweg aufzeigen und das Ergebnis formulieren
II, III
beurteilen
den Stellenwert von Sachverhalten oder Prozessen in einem Zusammenhang bestimmen, um kriterienorientiert zu einem begründeten Sachurteil zu gelangen
III
bezeichnen
Sachverhalte, Strukturen und Prozesse erkennen und zutreffend formulieren
I
darstellen
Zusammenhänge, Sachverhalte, Methoden etc. in strukturierter Form grafisch oder gegebenenfalls fachsprachlich wiedergeben
I, II
definieren
einen Begriff exakt bestimmen, um ihn von anderen abzugrenzen
II, III
diskutieren
zu einem Sachverhalt, zu einem Konzept oder zu einer Problemstellung eine Argumentation entwickeln, die zu einer begründeten Bewertung führen
II, III
dokumentieren
alle notwendigen Erklärungen, Herleitungen und Skizzen darstellen
II, III
einordnen
einen Sachverhalt oder eine Aussage mit erläuternden Hinweisen in einen Zusammenhang stellen
II, III
entwerfen, planen
zusammenstellen von Funktionalitäten unter Berücksichtigung vorgegebener Daten
II, III
entwickeln
zu einem Sachverhalt oder zu einer Problemstellung ein konkretes Lösungsmodell oder ein Lösungskonzept begründend skizzieren
II, III
erklären, erläutern
Strukturen, Prozesse und Zusammenhänge von Erscheinungen erfassen, in Einzelheiten verdeutlichen und durch zusätzliche Informationen verständlich machen
I, II
ermitteln
einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren
I, II
erstellen
darstellen von Sachverhalten gemäß der vorgegebenen Syntax
II
erweitern
eine vorgegebene Struktur um Bestandteile ergänzen
II, III
identifizieren, kennzeichnen
das Wesentliche und Typische benennen
II
implementieren
Algorithmen und Datenstrukturen in eine Programmiersprache umsetzen
II
kommentieren
kausale Zusammenhänge anhand gegebener oder eigener Ergebnisse präzise vorstellen
II, III
modellieren
zu einem Ausschnitt der Realität ein informatisches Modell anfertigen
II, III
skizzieren
die wesentlichen Eigenschaften eines Objektes, eines Sachverhaltes oder einer Struktur grafisch darstellen
I, II
Stellung nehmen
unter Heranziehung von Kenntnissen differenziert eine eigene begründete Position beziehen
III
überprüfen, testen
Sachverhalte, Probleme, Fragestellungen nach bestimmten fachlich üblichen Kriterien untersuchen
II, III
übertragen
einen bekannten Sachverhalt, eine bekannte Methode auf eine neue Problemstellung beziehen
II, III
vervollständigen
Sachverhalte, Ausdrücke oder Aussagen nach bereits vorliegenden Kriterien mit zusätzlichen Informationen versehen
I, II
zeichnen
eine anschauliche und hinreichend exakte grafische Darstellung gegebener Strukturen anfertigen
I, II
vgl. Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Berufliche Informatik der KMK i. d. F. vom 10.05.2007

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