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Bausteine des eigenen Lebens entdecken

Schülerinnen und Schüler des Biologie-LK Q1 zu Besuch im Schülerlabor.Der eigenen DNA war der Biologie-Leistungskurs der Q1 auf der Spur. Wie geht das? Dies wird sich der eine oder die andere fragen. Denn in der Debatte um gentechnisch veränderte Pflanzen und Lebensmittel gerät schnell in Vergessenheit, dass wir selber einen Bauplan in jeder unserer Zelle besitzen: unsere eigene DNA. Genau diesen eigenen Bauplan, oder besser einen ganz bestimmten Abschnitt des eigenen Bauplans, konnten die Mitglieder des Bio-LKs sichtbar machen, als sie sich am Dienstag, den 21. Juni 2016, auf den Weg ins Schülerlabor des BayLabs in Leverkusen machten.

Doch zunächst waren einige Vorbereitungen notwendig: Alle Teilnehmer mussten mit Schutzkittel und Schutzbrille ausgestattet werden. Erst dann konnten die Jung-Gentechniker die Zellen ihres eigenen Körpers gewinnen. Nein, das war gar nicht schmerzhaft. In der Mundschleimhaut besitzen wir Zellen, die sich ganz einfach aus ihrem Gewebeverband lösen lassen. Da reicht schon ein einfaches Wattestäbchen, um diese ab zu schaben und in ein so genanntes Eppendorf-Gefäß (kurz im Laborjargon "Eppi" genannt) zu überführen.

Nun gilt es die die Zellen aufzuarbeiten. Zu diesem Zweck haben die Bio-Experten eine Seife namens Natriumlaurylsulfat hinzugegeben, um die Zellmembran und die Zellkernmembran zu zerstören. Mit einem Enzymkomplex wurde die DNA von lockenwicklerartigen Proteinen (Histone), mit deren Hilfe sie platzsparend verpackt in der Zelle vorliegt, befreit. Anschließend folgte ein Reinigungsprozess mit ethanolhaltigen Lösungsmitteln, die die DNA über einem Filter zum Ausfallen brachten.

Bei all diesen Arbeitsschritten war große Genauigkeit gefragt. Die Schülerinnen und Schüler mussten im Mikroliterbereich arbeiten. Herkömmliche Pipetten, die in der Schule gewöhnlich eingesetzt werden, reichen dazu nicht aus. Im Schülerlabor hatten alle Jungforscher die Gelegenheit mit sogenannten Eppendorf-Pipetten zu arbeiten, die man mit Hilfe eines Rädchens auf das gewünschte Volumen einstellt. Aber auch mit Zentrifugen durfte hantiert werden. Eine Ausstattung, die man so nicht an allgemeinbildenden Schulen vorfindet.

Schülerinnen und Schüler des Biologie-LK Q1 zu Besuch im Schülerlabor.Dann war es endlich geschafft: In den Eppis der Schülerinnen und Schüler lag nun die isolierte und aufgereinigte DNA eines jeden bzw. einer jeden vor. Allerdings sehr, sehr wenig. Zu wenig, um sie mittels Gelelektrophorese aufzutrennen. Und nun? An diesem Punkt sind Gentechniker bis vor wenigen Jahren leider häufig in ihrer Arbeit gescheitert bis sich eine neue Technik etablierte: die sogenannte PCR (Polymerasekettenreaktion).

Für diese Erfindung wurde Mullis 1993 der Nobelpreis verliehen, da diese Erfindung in nur drei Teilschritten es schafft, DNA Stücke in sehr kurzer Zeit zu vermehren. Dazu benötigte man zwei Primer (sehr kurze DNA-Sequenzen, die der Poylmerase anzeigt, wo sie mit dem Nachbau des DNA-Strangs beginnen soll), Taq-Polymerase (Enzym, dass die Nukleotide zusammen baut) und Nukleotide (Bausteine der DNA).

Jeder Vervielfältigungszyklus besteht aus drei Schritten, die sich durch eine unterschiedliche Temperatur auszeichnen: - Im ersten Schritt trennt man die DNA-Doppelhelix in ihre zwei Einzelstränge (DNA-Denaturierung) bei einer Temperatur von ca. 92° C. - Anschließend kühlt man die Lösung auf ca. 55° C ab, damit sich die Primer an die Einzelstränge binden können (Primerhybridisierung). - Und dann erhöht man die Lösung wieder auf ca. 72° C. Bei dieser Temperatur arbeitet die Taq-Polymerase optimal und baut aus den Nukleotiden der Lösung den komplementären DNA-Strang auf (Elongation).

Dieser Prozess wurde mittlerweile so optimiert, dass man einfach die Probe in einen Thermocycler einstellt. Für den Leistungskurs eine willkommene Pause. Denn in der Zwischenzeit ging es auf Einladung von Bayer zum Mittagessen in der Cafeteria.

Gestärkt konnten die Schülerinnen und Schüler den zweiten Teil ihre Forschungsaktivitäten angehen: die DNA-Probe aufzutrennen. Bei der PCR wurde mit einem speziellen Primer gearbeitet. Er erkennt eine ganz bestimmte Region auf der DNA, die für kein Protein codiert und auch kein Steuerelement oder ähnliches enthält. Man könnte sogar sagen, es handelt sich um "Datenschrott". Aber genau das macht diese Stelle so individuell, da eine Mutation keine Auswirkung auf den Stoffwechsel oder ähnliches des Organismus hat. Hier kann sich eine große Anzahl von Mutationen sammeln, die ganz spezifisch für eine Person sind. Diese besonderen DNA-Regionen werden z.B. für Vaterschaftstests verwendet. Man nennt sie VNTR-Regionen (variable number tandem repeats). Sie finden beim genetischen Fingerabdruck Verwendung.

Die Gelelektrophorese funktioniert wie eine Art Sieb. Man führt die DNA-Probe in eine Tasche des Gelkissens ein. Die Struktur des Gels hat feine Poren, durch die kurze DNA-Stücke sich schneller bewegen als lange. Damit die DNA-Fragmente sich überhaupt bewegen, wird eine elektrische Spannung angelegt. Am Start ist der Minus-Pol und auf der gegenüberliegenden Seite der Plus-Pol. Da die DNA negativ geladen ist, wandert sie entsprechend zum Plus-Pol. Dabei werden unterschiedlich lange Fragmentstücke aufgetrennt. Mit Hilfe eines Längenstandards (Leiter), der in eine weitere Tasche des Gelkissens eingefüllt wird, kann man sogar die Länge der Fragmente bestimmen.

Um die DNA sichtbar zu machen, mussten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer ihr Gelkissen noch in eine blaue Farblösung legen. Auf dem Leuchttisch zeigte sich dann, wer sauber gearbeitet hatte. Hier konnte dann tatsächlich die beiden Allele der VNTR-Region betrachtet werden, die bei jedem unterschiedlich lang ausgeprägt sind. Und natürlich unterscheiden sich auch die beiden Allele untereinander in ihrer Länge, da das eine vom Vater und das andere von der Mutter vererbt wurde. Die so sichtbar gemachte eigene DNA durfte jeder, der wollte, in einer Plastiktasche mit nach Hause nehmen.

Text und Fotos: S. Kunze

   

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