Einblick in die faszinierende Welt der Molekularbiologie
Molekularbiologie hautnah miterleben – unter diesem Motto war es dem Biologie-Grundkurs von Frau Vogler am 06.12.23 möglich, das Gläserne Labor zu besuchen. Das Gläserne Labor ist eine Bildungseinrichtung am innovativen Wissenschafts- und Biotechnologiepark Campus Berlin-Buch. Seine sechs Schülerlabore bieten als außerschulische Lernorte über 20 Experimentierkurse zu den Themen Molekularbiologie, Zellbiologie, Neurobiologie, Chemie, Radioaktivität sowie Ökologie für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe an. Auch dem Jahrgang 12 war es möglich, im Sinne des Semesterthemas „Genetik“ einen Kurs zum Thema „Klonierung – Restriktionsenzyme und Transformation“ zu absolvieren. So beschäftigten sich die Schüler*innen im Rahmen der Technik der Klonierung mit der Welt der leuchtenden Bakterien.
Nach einer kurzen Einführung zum Campus, dem Labor und den Sicherheitsbedingungen ging es auch schon los. Angeleitet von Experten versuchten die Schüler*innen, Bakterien zum Leuchten zu bringen, indem sie ein Gen aus leuchtenden Quallen in die Plasmide von Bakterien einbauten. Durch diesen Vorgang würden die Bakterien durch das Gen für ein „Grün fluoreszierendes Protein“ (GFP) die Eigenschaft, selbst grün zu leuchten, annehmen. Außerdem trägt das Plasmid ein Operon, sodass die Bakterien nur leuchten, wenn der Repressor deaktiviert ist. Aufgrund der Eigenschaften agiert das Plasmid hierbei als ein Vektor – also als Transportmittel, mit dem Fremd-DNA in bestimmte Zellen eingeschleust wird.
Das Experiment wurde von den Schüler*innen mit der Restriktionsanalyse gestartet, in der das Plasmid zunächst durch sogenannte Restriktionsenzyme (EcoR1 und BamH1) geschnitten wird. Bei diesem Vorgang werden die DNA-Stücke so zerschnitten, dass überlappende Enden („sticky ends“) entstehen, welche dem Enzym Ligase die Arbeit erleichtern, da sich die Wasserstoffbrückenbindungen so schneller bilden können. Das Gen der Qualle, was durch eine Polymerasekettenreaktion gewonnen wurde, sowie die DNA des Plasmids wurden bei der Ligation durch das Enzym DNA-Ligase zusammengefügt. Das neu daraus entstandene Plasmid wird nun als pGLO bezeichnet. Um die entstandenen isolierten DNA-Fragmente nun voneinander zu trennen und sichtbar zu machen, wurden sie von den Schüler*innen, mittels der Agarose-Gelelektrophorese, nach Länge aufgetrennt und sichtbar gemacht.
Dabei werden die DNA-Fragmente mit Ladepuffer vermischt und durch die Spannung, die entsteht, wandern die negativ geladenen DNA-Moleküle im Gel zum positiven Pol (der Anode). Die Fragmente bewegen sich unterschiedlich schnell durch das Gel, wodurch es zur Auftrennung kommt und ein Bandenmuster entsteht, welches durch UV-Licht sichtbar gemacht werden konnte. So konnte von den Schüler*innen erkannt werden, dass beide Enzyme eine Schnittstelle auf dem Plasmid haben.
Abschließend mussten die Fremd-DNA noch in die Bakterienzelle übertragen werden. Diesen Prozess bezeichnet man auch als Transformation. Dabei mussten die Bakterien zuerst chemisch kompetent gemacht werden, indem die Bakterien mit einer Transformationslösung behandelt werden, sodass die Zellmembran kurzzeitig nicht „funktionieren“ kann. Durch einen herbeigeführten Hitzeschock reißt die Doppellipidschicht und Plasmide können ins Zellinnere gelangen. Um sie wieder abzukühlen, sollten die Bakterien darauf einem Kälteschock unterzogen werden. Anschließend können die Bakterien nach einer bestimmten Regenerationszeit die Informationen von den Plasmiden ablesen. Zusätzlich zu dem GFP-Gen tragen die Plasmide auch noch das Resistenzgen Ampicillin, wodurch nur Bakterien, die ein Plasmid aufgenommen haben, auf den Nährmedien wachsen werden. Um die erfolgreich transformierten Zellen nur von denen ohne DNA-Plasmid unterscheiden zu können, wurde die Selektion von den Schüler*innen durchgeführt. Dafür wurden zum einen Bakterien ohne Plasmid auf zwei Nährmedien – eins mit Ampicillin und eins ohne – gegeben. Zudem wurde dasselbe mit Bakterien mit Plasmid durchgeführt, auf einem Nährmedium mit Ampicillin und einem mit Ampicillin und Arabinose (einem Zweifachzucker). Dies musste über Nacht bei 37 Grad inkubieren, weshalb es den Schüler*innen nur möglich war, vorherige Versuche zu betrachten. Dabei wurde festgestellt, dass die Bakterien ohne Plasmid nur auf dem Ampicillin-Nährmedium wachsen und dass die Bakterien mit Plasmid auf beiden wachsen. Jedoch werden nur die auf dem Nährmedium mit Ampicillin und Arabinose grün leuchten, da Arabinose an den Repressor bindet und die Transkription des GFP-Gens freigibt.
Diese praktische Laborarbeit war ein faszinierendes Beispiel für die Anwendung von Klonierungstechniken für die Schüler*innen und gliederte sich optimal in den Lehrplan sowie das Semesterthema ein und ermöglichte dem Jahrgang 12 neue Einblicke in die Welt der Biologie. Den ein oder anderen mag es vielleicht auch in Bezug auf spätere Berufsperspektiven weitergebracht haben, und auch wenn für Interessenten, die den Kurs nicht absolvieren konnten, und sich zum Beispiel für die Molekularbiologie interessieren, fördert das Gläserne Labor Schüler im Alter von 16 bis 26 Jahren mit studienvorbereitenden Ferienkursen. Angebote zu den Kursen oder allgemeine Informationen zum Campus lassen sich unter der Website des Gläsernen Labors www.glaesernes-labor.de finden.
Helene Radke