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Populationsgenetische Untersuchung anhand eines Alu-Elementes

Arbeiten mit Nukleinsäuren|Untersuchung an menschlicher DNA | Jg. 10-12

Beschreibung

Stabile genetische Marker könnten einen Baustein liefern, mit dessen Hilfe sich Aufschlüsse über die Wurzeln der Menschheit gewinnen lassen. So genannte Alu-Elemente sind kurze, sich wiederholende Sequenzen, die in großer Zahl über das menschliche Genom verteilt sind. Beim Menschen gibt es spezifische Alu-Elemente, die bei unseren nächsten Verwandten, den Menschenaffen, fehlen. Darüber hinaus findet man über die Kontinente hinweg interessante Verteilungsmuster dieser Mutation.
In unserem Versuch überprüfen wir, beruhend auf doppelt-anonymisierter DNA, die aus Zellen der Mundschleimhaut stammt, das Vorhandensein eines Alu-Elements auf dem Chromosom 8.

Wir danken Frau B. Isenberg, Abt. Biophysikalische Chemie der Medizinischen Hochschule Hannover, für die freundliche Unterstützung.

Methoden

  • Isolierung von DNA aus menschlichem Wangenepithel mit Silica-Technologie
  • Amplifizierung eines bestimmten nDNA-Sequenzabschnitts durch PCR
  • Kontrolle durch Elektrophorese und Auswertung

Wünschenswerte Vorkenntnisse

  • Bau einer tierischen Zelle
  • Bau der DNA
  • Chromosomenstruktur und Struktur eines Gens
  • Proteinbiosynthese
  • Evolutionsfaktoren
  • Populationsgenetik (Homo- und Heterozygotie, Allelfrequenzen)
  • Molekularbiologische Methoden (PCR und Gelelektrophorese)

Dauer

ca. 8h (einschl. Mittagspause)

Auf der Suche nach Neandertaler-DNA in rezenten Menschen

Arbeiten mit Nukleinsäuren|Untersuchung an menschlicher DNA | Jg. 11-12

Beschreibung

Die Abstammung des Menschen und seine Verwandtschaft zu Hominiden, von denen es nur Fossilfunde gibt, sind schon seit Darwins Lebenszeit Gegenstand des Interesses und der Forschung. Paläontologen und Anthropologen versuchen seitdem, die evolutionäre Beziehung von Neandertalern und heutigen Menschen aufzuklären. 1997 gelang es unter Leitung von Svante Pääbo, DNA-Fragmente aus Knochen eines Neandertalers zu sequenzieren und zu analysieren.

In unserem Experiment verwenden wir eine Region innerhalb der mitochondrialen DNA (mtDNA) eines Neandertalers bzw. doppelt-anonymisierter DNA rezenter (moderner) Menschen, die für einen Vergleich auf genetischer Grundlage geeignet ist, und überprüfen daran das Vorhandensein einer humanspezifischen Schnittstelle für die Restriktionsendonuclease TruI.

Wir danken der Abteilung für Evolutionäre Genetik des Max-Planck-Institutes für Evolutionäre Anthropologie in Leipzig unter Prof. Dr. Svante Pääbo, insbesondere Herrn Dr. Johannes Krause, für die freundliche Unterstützung und für die Bereitstellung der Neandertaler mtDNA.

Methoden

  • Isolierung von DNA aus Mundschleimhautzellen mit Silica-Technologie
  • Amplifizierung eines mtDNA-Sequenzabschnitts durch PCR
  • spezifischer Restriktionsverdau des PCR-Produktes
  • Auswertung durch Gelelektrophorese 
  • Sequenzvergleich

Wünschenswerte Vorkenntnisse

  • Bau einer tierischen Zelle
  • Bau einer Biomembran
  • Bau von nDNA und mtDNA
  • Molekularbiologische Methoden (PCR und Gelelektrophorese)
  • Mutationen
  • Stammbaumanalyse

Dauer

ca. 8-9h (einschl. Mittagspause)

Versuche zur Enzymatik

Arbeiten mit Proteinen | Jg. 11-13

Charakterisierung des Enzyms ß-Galactosidase vor dem Hintergrund der Lactose-Intoleranz

Beschreibung

Als Biokatalysatoren bewirken Enzyme eine Absenkung der für eine chemische Reaktion erforderlichen Aktivierungsenergie und damit eine beachtliche Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit bei Stoffwechselvorgängen. Die Fähigkeit zur Verstoffwechselung des Milchzuckers (Lactose) nimmt im Kindesalter ab, so dass in vielen Populationen im Erwachsenenalter die Aufnahme von Milch oder Milchprodukten zu Problemen führt. Ein Grund für eine Lactose-Intoleranz im Erwachsenenalter ist eine reduzierte bzw. fehlende Aktivität des Enzyms Lactase, welches zur Gruppe der ß-Galactosidasen gehört. 

In unserem Experiment untersuchen wir beispielhaft die Enzymaktivität einer ß-Glalactosidase aus Escherichia coli in Abhängigkeit von der Zeit, der Substratkonzentration, dem pH-Wert und der Temperatur. Außerdem untersuchen wir auf Wunsch auch die Substratspezifität dieses Enzyms und die Wirkung von Hemmstoffen auf die Enzymaktivität. Das bei der Reaktion entstehende Produkt kann schon durch Gelbfärbung mit bloßem Auge gesehen werden, seine Menge wird mit dem Spektralfotometer genau gemessen. Die Messdaten werden in Form von Graphen dargestellt. Eine umfassende Interpretation der Messergebnisse schließt den Experimentaltag ab.

Die Messergebnisse aller Gruppen in Form von Diagrammen werden für jeden Teilnehmer ausgedruckt. Sie bilden somit eine Grundlage für den weiterführenden Unterricht.

Methoden

Teilexperiment (alle Gruppen):

  • Messung der Enzymaktivität in Abhängigkeit von der Zeit

Teilexperimente (arbeitsteilig):

  • Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur
  • Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Substratkonzentration
  • Abhängigkeit der Enzymaktivität vom pH-Wert
  • Substratspezifität und Hemmbarkeit durch verschiedene Hemmstoffe

Wünschenswerte Vorkenntnisse

  • Bau von Proteinen
  • Prinzip einer enzymatisch katalysierten Reaktion
  • Beeinflussung enzymatisch katalysierter Reaktionen durch äußere Faktoren (Temperatur, pH-Wert, Substratkonzentration, Hemmstoffe)
  • Erstellen eines Graphen mit Hilfe von Messergebnissen

Dauer

ca. 7-8h (einschließlich Mittagspause)

Viren-Nachweis mit Hilfe von ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay)

Untersuchungen weiterer Stoffgruppen | Jg. 12-13

Beschreibung

Der ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) bezeichnet ein antikörperbasiertes Nachweisverfahren. Über Enzym-gekoppelte Antikörper können z.B.  Proteine von Bakterien und Viren, aber auch niedermolekulare Verbindungen wie Hormone, Toxine und Pestizide in einer Probe nachgewiesen werden. Hierbei macht man sich die Eigenschaft spezifischer Antikörper zunutze, die an den nachzuweisenden Stoff (Antigen) binden. Die Enzym-gekoppelten Antikörper lassen sich über eine enzymatische Farbreaktion photometrisch nachweisen.

In unserem Experiment weisen wir mit Hilfe des ELISA einen möglichen Virusbefall in Tabakpflanzen nach. In den Theorie-Einheiten vermitteln wir Grundlagen und Anwendungsbeispiele des ELISA und gehen vertiefend auf die Bildung von spezifischen Antikörpern (VDJ-Rekombination) im menschlichen Immunsystem und auf die Herstellung von monoklonalen Antikörpern für wissenschaftliche und medizinische Zwecke ein.

Wir danken Frau Dr. K. Lindner, Institut für Pflanzenschutz in Ackerbau und Grünland im Julius-Kühn-Institut Braunschweig, für die freundliche Unterstützung und Bereitstellung der Virusstämme. Ebenso danken wir Herrn Dr. W. Menzel, Deutsche Sammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) für die freundliche Unterstützung und die Bereitstellung von Tabakpflanzen.

Methoden

  • Virus-Protein-Extraktion aus Pflanzenmaterial
  • ELISA
  • Modellarbeit  zur  V(D)J-Rekombination
  • Photometrische Auswertung

Wünschenswerte Vorkenntnisse

  • B-Lymphocyten, T-Helferzellen
  • Aufbau und Bildung von Antikörpern
  • Antigen-Erkennung
  • Prinzipieller Aufbau von Viren
  • Photometrie

Dauer

ca. 8h (einschl. Mittagspause)

Achtung – auf Grund eines begrenzten Materialkontingents gibt es ein beschränktes Kursangebot. Bitte daher diesen Kurs ca. 12 Wochen vorher anmelden !

Phylogenetik - Erstellung von Stammbäumen

Erstellung phylogenetischer Stammbäume aus Protein- und DNA-Sequenz-Mustern verschiedener Fischarten| Jg. 12-13

Beschreibung

Die phylogenetische Klassifikation, die auf den Zoologen WILLI HENNIG zurückgeht, versucht die evolutionäre Entstehungsgeschichte von Lebewesen in Form von Stammbaumrekonstruktionen abzubilden.  Die rasante technische Entwicklung der DNA- Sequenzierung, durch die immer größere Datenmengen  für Sequenzvergleiche zur  Verfügung stehen, hat die Möglichkeiten der molekularen Verwandtschaftsanalyse außerordentlich erweitert und die bisher wenig beachtete  Systematik wieder in den Fokus der Wissenschaft gerückt.

Dies spiegelt sich auch in den curricularen Vorgaben zum Oberstufenunterricht wider, in dem wichtige Grundlagen zur Phylogenetik vermittelt werden sollen. Der Kurstag spricht daher Kompetenzen an, die mit dem niedersächsischen Kerncurriculum Bio QP konform gehen, insbesondere FW 8.1 und 8.2.

Im theoretischen Teil des Kurstages werden die Unterschiede zwischen  Taxonomie und Phylogenetik, die Stammbaumrekonstruktion und deren zugrundeliegenden heuristische Verfahren sowie neueste phylogenetische Erkenntnisse thematisiert. Den praktischen Teil bildet die Stammbaumrekonstruktion aus experimentell selbst ermittelten Proteinmustern  und in Datenbanken hinterlegten DNA-Sequenzen.

Methoden

  • Analyse von Muskel-Proteinen verschiedener Fischarten mit Hilfe der SDS-PAGE
  • Auswertung der gewonnenen Daten mit Hilfe einer Datenmatrix
  • Stammbaumrekonstruktion (Maximum Parsimony)
  • Sequenzsuche in Datenbanken
  • Aligment ähnlicher Sequenzen
  • Stammbaumrekonstruktion (Neighbour Joining) mit Hilfe von Softwaretools

Wünschenswerte Vorkenntnisse

  • Bau von Proteinen
  • Proteinbiosynthese
  • DNA (Aufbau, Sequenzen, Mutationen)
  • Konzept der Biologischen Art
  • Grundlagen der Taxonomie (binominale Nomenklatur, Klassifizierungsebenen)
  • Grundlagen zur Stammesgeschichte
  • Molekularbiologische Methoden (Gelelektrophorese)

Dauer

ca. 8-9 h (einschl. Mittagspause)

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Experimentalangebote

Jeder Kurs beinhaltet Schülerexperimente, Erarbeitung ihres theoretischen Hintergrundes und auf Anfrage Vorbereitungshilfen für die begleitende Lehrkraft. Die Kursdauer ist abhängig von Methodik und Anspruch des ausgewählten Themas und für die angemeldete Gruppe verbindlich.

Hinweis: Die folgenden Versuche werden zur Zeit nicht angeboten:

"Spender gesucht"

"Le Coeur du Roi"

"Zucker im Visier"

   Gesamtes Angebot BioS – Experimentalkurse

 

 

  • Alle
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  • Arbeiten Mit Nukleinsäuren
  • DNA Sequenzanalyse
  • Eigenschaften Von DNA
  • Gelelektrophorese
  • Jg. 10 13
  • Jg. 12 13
  • Mikrobiologie
  • Molekularbiologie
  • PCR
  • Untersuchung An Menschlicher DNA
  • Untersuchungen Weiterer Stoffgruppen

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