Genetischer Fingerabdruck - Polymerasekettenreaktion (Kurs: KP_01)

Klasse 10

Präsenz (Labor des KölnPUB, Frechen), 6h

Bildquelle: © Dan Race / Fotolia.com

Plasmidexperiment- Plasmide Vektoren, Gen-Scheren, Restriktionsenzyme (Kurs: KP_02)

Klasse 10

Präsenz (Labor des KölnPUB, Frechen), 6h

Kaltes Licht: (Chemo)-Lumineszenz, Fluoreszenz & Phosphoreszenz (Kurs: KP_03)

ab Klasse 10

Präsenz (Labor des KölnPUB, Frechen), 6h

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Hier finden Sie Details zu den Kursen und Angeboten.

Kurs-Nr. KP_01
MINT-Bereich(e) Biologie
Berufs- und Studienfelder Biologisch-Techn. AssistentInnen, Ingenieur/in Biotechnologie, Biologe/in, Wissenschaftsjournalist/in
Dauer (Zeitstunden) 6h (eintägig)
Format Präsenz, Labor des KölnPUB in Frechen
Zielgruppe Klasse 10
empfohlenes Vorwissen keines
Material nicht benötigt
Anzahl Teilnehmende max. 18 (ggf. nach Abstimmung auch bis 22 TN)
Kosten für die Schule keine Kosten für die Kursdurchführung (Förderung über BSO-MINT)
Sonstiges
Beschreibung Welche Verantwortung auf dem einzelnen Wissenschaftler lastet, der z. B. in einem Landeskriminalamt durch seine Untersuchung beweisen soll, ob der Verdächtigte wirklich der Täter ist, darüber wird mit den Teilnehmenden diskutiert. Auch wird dargestellt, dass der Genetische Fingerabdruck wie ein Bild bzw. wie eine Skizze ist und keine genetischen Probleme eines Trägers offenbaren kann, da keine Gene untersucht werden. Wegen der großen Bedeutung des “Genetischen Fingerabdrucks” führen die TN das PCR-Experiment mit eigenen Schleimhautzellen selbst durch. Die TN arbeiten ihre Schleimhautzellen auf und reinigen ihre eigene DNA. Der vervielfältigte Abschnitt gehört zu einer Region, die nichts über die Trägerin oder den Träger verrät. Die Region kodiert nicht für Gene. Im Experiment wird lediglich ein kleiner DNA-Abschnitt vermehrt. Es soll nachgewiesen werden, ob dieser Abschnitt homozygot oder heterozygot vererbt wurde und welches Molekulargewicht er hat. Der Nachweis erfolgt in einer Gelelektrophorese, die die TN selbstverständlich eigenhändig durchführen. Dazu gehört u. a. die Vorbereitung der Proben und das Gießen des Gels. Das Gel mit der DNA muss nach der Elektrophorese, damit die DNA im Gel sichtbar wird, gefärbt und anschließend zur Dokumentation fotografiert werden. Die TN erfahren, dass mit der PCR-Methode grundsätzlich Erbgut, das in geringen Mengen vorliegt, vervielfältigt werden kann, um z. B. Stammbäume zu ermitteln oder in der Paläobiologie die Evolution von Organismen darstellen zu können oder auch um Krankheiten aufzuklären.
Anmerkung:
Die aufgereinigte DNA jeder Schülerin und jedes Schülers bleibt in ihrem bzw. seinem Besitz. Es können daraus keinerlei Personendaten abgelesen werden, jede Schülerin und jeder Schüler beschriftet seine Probe individuell mit einer Nummer. Es wird abgefragt, ob sich Geschwister in dem Kurs befinden: mehr als zwei Geschwister dürfen in einem Kurs nicht parallel experimentieren, um keinerlei Abstammungsaussagen treffen zu können. Die untersuchten Genorte sind nicht für irgendeine Merkmalsausprägung verantwortlich und sagen somit nichts über den Menschen aus.
Kurs-Nr. KP_02
MINT-Bereich(e) Biologie
Berufs- und Studienfelder Biologisch-Techn. AssistentInnen, Ingenieur/in Biotechnologie, Biologe/in, Wissenschaftsjournalist/in
Dauer (Zeitstunden) 6h (eintägig)
Format Präsenz
Zielgruppe Präsenz, Labor des KölnPUB in Frechen
empfohlenes Vorwissen keines
Material nicht benötigt
Anzahl Teilnehmende max. 16
Kosten für die Schule keine Kosten für die Kursdurchführung (Förderung über BSO-MINT)
Sonstiges
Beschreibung Plasmide sind DNA-Ringe, die ursprünglich in Bakterien vorkommen. Sie werden in der Wissenschaft Vektoren genannt, weil sie fremde Gene in andere Organismen transportieren können und weil es deren Struktur zulässt, Gene näher zu untersuchen.
Die Arbeit mit Plasmiden kommt daher im Laboralltag oft vor.
Am Experimentiertag isolieren die Teilnehmenden selbst Plasmide aus Bakterien. Dabei erlernen sie, wie Wissenschaftler*innen spezifische DNA von den übrigen Zellbestandteilen abtrennen, um mit gereinigter DNA – hier Plasmid-DNA – weiterarbeiten zu können. Sie erfahren auch, dass es heute Firmen gibt, bei denen Biologen arbeiten, die besondere Systeme entwickelt haben, damit die DNA-Reinigung im Labor effektiver und sauberer durchgeführt werden kann. Die gereinigte DNA wird mit verschiedenen Restriktionsenzymen („Genscheren“) in kleine Stücke/Fragmente geschnitten und zur weiteren Untersuchung gelelektrophoretisch aufgetrennt. Die notwendigen Agarosegele gießen die Teilnehmenden selbst. Sie lernen auch, dass zur Trennung der Fragmente Gleichstrom statt Wechselstrom eingesetzt werden muss, da DNA negativ geladen ist.
Damit die Fragmente sichtbar gemacht werden, müssen die Gele bzw. die in den Gelen enthaltene DNA angefärbt und zur Dokumentation fotografiert werden. Die Fragmentgrößen werden von den TN ermittelt und den Abschnitten auf Genkarten zugeordnet. Auf den Genkarten erkennen die Teilnehmenden ebenfalls, über welche eigenen Gene ein Vektor verfügt und welche er braucht, um im Labor überhaupt eingesetzt werden zu können. Das System des Gentransfers in Fremdorganismen (wie z. B. in Bakterien) wird in der Forschung häufig genutzt, um z.B. zu erfahren, wie das übertragene Gen arbeitet, welche Funktion es hat und welches Protein über diese fremde Gensequenz gebildet wird. Die Richtlinien für das MINT-Fach Biologie sehen u.a. den Themenbereich Gentechnik vor, mit dem sich dieser Kurs beschäftigt.
Kurs-Nr. KP_03
MINT-Bereich(e) Chemie
Berufs- und Studienfelder Chemie-Laborant*in, Chemikant*in, Chemiker*in, Chemieingenieur*in, Wissenschaftsjournalist*in
Dauer (Zeitstunden) 6h (eintägig)
Format Präsenz (Labor des KölnPUB, Frechen)
Zielgruppe ab Klasse 10
empfohlenes Vorwissen keines
Material nicht benötigt
Anzahl Teilnehmende max. 15
Kosten für die Schule keine Kosten für die Kursdurchführung (Förderung über BSO-MINT)
Sonstiges
Beschreibung Lumineszens beschreibt ein Phänomen, dass man sowohl in Lebewesen (Biolumineszenz, z.B. Glühwürmchen) als auch in Alltagsgegenständen (Chemolumineszenz, z.B. Knicklichter) antreffen kann. In beiden Fällen erzeugt eine chemische Reaktion Licht, ohne dass dabei Wärme (wie z.B. bei einer Glühlampe oder Kerze) freigesetzt wird. Bei Fluoreszenz und Phosphoreszenz handelt es sich um eine Umwandlung und ggf. kurzzeitige Speicherung von Licht. Erste findet z.B. zur Echtheitsprüfung von Geldscheinen oder in der Mikrobiologie Anwendung. Phosphoreszierende Materialen finden sich z.B. bei Uhr-Ziffernblättern, Notfall-Schildern und “Glow-in-the-dark” Artikeln. Alle Konzepte sollen die Schüler*innen am Experimentiertag kennenlernen und jeweils durch ein Experiment erforschen. Zusätzlich werden durch den/die Dozent/in begleitende Showexperimente zur besseren Veranschaulichung durchgeführt. Daneben wird das elektromagnetische Spektrum, mit besonderem Fokus auf dem sichtbaren Licht, vorgestellt und durch die Experimente veranschaulicht (UV-Licht, sichtbares Licht, Infrarot-Strahlung).
Im ersten Experiment stellen die Schüler*innen einen Fluoreszens-Farbstoff (Fluorescein) selbst her. Hierbei lernen sie den verantwortungsvollen Umgang mit Chemikalien (z.B. Schwefelsäure) und sauberes Experimentieren. Im Anschluss können eindrucksvolle “fluoreszierende Wolken” durch das Auflösen und gezieltes Bestrahlen mit UV-Licht beobachtet werden. Die Anwendung dieser Farbstoffe, z.B. in der Mikrobiologie oder Leckageortung wird im Anschluss erörtert.
Im zweiten Teil wird der Fluoreszenzfarbstoff Fluorescein in einer festen Matrix fixiert. Hierzu eignet sich eine Matrix aus ungiftiger Weinsäure im Gegensatz zu der giftigen, industriell genutzten Borax-Matrix. Dies bewirkt die Verzögerung der Abstrahlung des Lichts, wodurch Phosphoreszenz zu beobachten ist. Die Schüler*innen lernen durch diese beiden Experimente, dass die Eigenschaften von Stoffen auch durch ihre Umgebung (Lösung/feste Matrix) beeinflusst und gezielt gesteuert werden können. Abschließend werden die SchülerInnen ein “Schüttel-Licht” selbst herstellen. Hierbei handelt es sich um kleine Gläschen, welche die SchülerInnen mit der Reaktionslösung befüllen. Bei kräftigem Schütteln fängt diese Lösung für eine kurze Zeit an zu leuchten. Durch den Zusatz von Farbstoffen kann ein blaues, rotes oder grünes Leuchten erzeugt werden. Dieses Experiment ist ein Beispiel für Chemolumineszenz und veranschaulicht außerdem den Einsatz von Photosensibilisatoren zur Veränderung der abgestrahlten Lichtfarbe.
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