Begabten-Ag Aktuelle Forschung Molekularbiologie

Jeder Blumenkohl hat mehr Gene als DU!

Begabten-AG Molekularbiologie 2017

Inhalte

  • Seit kurzem stehen Methoden zur Verfügung, die eine bisher nicht gekannte Präzision bei gentechnischen Veränderungen des Erbguts ermöglichen (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, kurz Crispr Cas9).
  • Relativ jung ist auch die Erkenntnis, dass die Vererbung bestimmter Merkmale nicht alleine durch eine DNA Sequenz erfolgt, sondern maßgeblich auch durch Aktivierung und Deaktivierung der relevanten Gene (Epigenetik).
  • Die Erforschung komplexer molekularbiologischer Phänomene übersteigt das menschliche Erfassungsvermögen, weshalb die Forschung immer mehr auf die Bioinformatik angewiesen ist bzw. sein wird.

Projekte und Exkursionen

  • Computersimulation genetischer Regulationsmechanismen (KIT Karlsruhe)
  • Vorträge führender Molekularbiologen zu Projekten aus der aktuellen Forschung (EMBL Heidelberg)
  • Science Movie Night (EMBL Heidelberg)
  • Junge Wissenschaftler zu Gast am AMG (EMBL Heidelberg)
  • Laborpraktikum zur Krebsdiagnostik (Experimenta Heilbronn)
  • Praktikum Genkartierung von Pflanzen (AMG)
  • Wissenschaftliche Kommunikation in englischer Sprache
  • Produkte (z.B. Infostand, Biostunde evtl. auf Englisch, Homepage, Science Slam, Präsentationen, Infoposter)
Die Architektur des Advanced Training Centres in Heidelberg ist einer DNA Helix nachempfunden

Interesse an der Begabten-AG Molekularbiologie?

Die Arbeitsgemeinschaft "Aktuelle Forschung Molekularbiologie" wird am AMG jährlich angeboten. Hier treffen sich Schülerinnen und Schüler der Kursstufe, die sich über den Unterrichtsstoff hinaus für aktuelle Forschung der Biologie interessieren und nun wirklich wissen wollen, wie "Vererbung funktioniert und wie weit der Forschungsstand der Gentechnik ist".

Der EMBL Postdoc Dmytro Dziuba bei der Begabten AG Molekularbiologie

Zelluläres Live-TV in Farbe und trotz Corona

- Durchführung der Begabten AG Neuro- und Molekularbiologe unter Pandemiebedingungen am Albertus-Magnus-Gymnasium im Schuljahr 2020/21

Aller pandemiebedingten Widrigkeiten zum Trotz konnte die AG im Schuljahr 2020/21 erfolgreich durchgeführt werden. Die Präsenzphasen konnten wir zur Durchführung von Praktika nutzen, für die wir uns die Materialien an die Schule schicken lassen konnten. So war ein Mikroskopiepraktikum zum Thema Alzheimer Demenz zu Beginn des Schuljahres noch möglich. Während der Homeschoolingphase waren wir auf Videokonferenzen sowie ein wöchentliches Quiz auf unserer virtuellen Lernplattform angewiesen. So ließen sich weitere Themen wie Epigenetik, Mikrobiomforschung und Fluoreszenzmikroskopie mit Leben füllen. Wir konnten auch einige EMBL Wissenschaftler/innen dafür gewinnen, uns virtuell über den EMBL Campus in Heidelberg (European Molecular Biology Laboratory) zu führen sowie zu einigen unserer Themen Vorträge zu halten.

Als diesjähriges Highlight stellte uns das EMBL Fluoreszenzmikroskope zur Verfügung, welche wir in einem Praktikum selbst zusammenbauten und fluoreszierende Objekte betrachteten.

Die Fluoreszenzmikroskopie spielt in der modernen molekularbiologischen Forschung mittlerweile eine Hauptrolle, da es möglich ist, zelluläre Proteine mit ungiftigen und robusten Fluoreszenzproteinen zu markieren. Das geschieht entweder durch eine genetische Manipulation oder durch antikörpergebundene Fluoreszenzstoffe. So wird es möglich, molekulare Prozesse (wie z.B. Proteinsynthesen, intrazelluläre Bewegungen von Proteinen, Reaktionen mehrerer Proteine miteinander) aber auch Abläufe auf zellulärer Ebene (wie z.B. Zellteilungen, Membranverschiebungen, Wanderbewegungen mehrerer verschiedener Gewebetypen) am geeigneten lebenden Objekt (wie z.B. Zellkulturen, transparente Zebrafische, Hefezellen, Tumorgewebe in Kultur) zu verfolgen.

Die mit Fluoreszenzmarkern markierten Objekte werden mit Licht einer bestimmten Qualität (z.B. mit blauem Licht) beleuchtet. Dies führt zur Fluoreszenz der Markermoleküle in der jeweiligen spezifischen Farbe (z.B. grün). Die markierten molekularen bzw. zellulären Strukturen werden so in fluoreszierendem Licht abgebildet. Deren Veränderungen im lebenden System können nun im Filmclip festgehalten werden.

In unserem Praktikum konnten wir fluoreszenzgefärbte Präparate von Maiglöckchen (Spross), Haselpollen, Spermatogenese im Mäusehoden sowie Geschmacksknospen des Kaninchens betrachten. Durch die eigenständige Montage der Mikroskope machten wir uns mit der Optik, dem Strahlengang des Fluoreszenzmikroskops sowie der Kamerasoftware vertraut. Insgesamt wurden uns drei Mikroskope zu Verfügung gestellt, an denen (coronakonform und räumlich voneinander getrennt) Schülerinnen und Schüler aus den Klassenstufen 11 und 12 arbeiteten.

Die praktische Arbeit machte sehr viel Spaß. Bedingt durch den Mottotag des Abiturjahrgangs, gab es eine Gruppe aus als Mönche verkleideten Jungs. Im „Wettbewerb“ Mädchen gegen Jungs musste die Jungsgruppe zum Schluss ihr Mikroskop neu montieren, da sie den dichroitischen Spiegel zunächst falsch herum montiert hatten.

Montage dichroitischer Spiegel
Strahlengang Fluorenszenzmikroskop
Fluoreszenzmikroskop im Einsatz

Von der Simulation zur Live-Show ...

Berichte der Begabten-AG Molekularbiologie

Kleine grün leuchtende Fische ...

Absichtliche Selbstzerstörung verhindert Schlimmeres...

Laborpraktikum der Begabten AG in der Experimenta Heilbronn

Am 8. Februar 2017 führte die Begabten AG ein Laborpraktikum zur Krebsdiagnostik im Science Center Experimenta in Heilbronn durch. Die Schülerinnen und Schüler wiesen sowohl eine krebsauslösende Mutation in der DNA nach als auch Antikörper gegen ein Protein, welches auf einen vorhandenen Tumor schließen lässt.

Das für Krebs typische unkontrollierte Zellwachstum wird verursacht durch mehrere Mutationen an Genen, die das Tumorwachstum verhindern (sogenannte Tumorsuppressorgene). Diese werden durch Steuerungsgene aktiviert, wenn Körperzellen Stress ausgesetzt sind. Verschiedene Suppressorgene lösen zum Beispiel Reparatur einer Mutation nach Korrekturlesen der DNA, Zellteilungsstopp und im Notfall sogar die Selbstzerstörung potenziell tumorbildender Zellen aus. Das P53 ist ein solches Steuerungsgen, dessen Mutation eine Tumorbildung wahrscheinlicher werden lässt. Besteht bei einem Patienten Krebsverdacht, lässt sich eine derartige Mutation an einer Gewebeprobe im Labor (durch Polymerasekettenreaktion, Restriktionsverdau und Gelelektrophorese) nachweisen. Das Ergebnis bringt Gewissheit, ob eine bestimmte Punktmutation eine Prädisposition für Krebs verursacht.

Das Gen p53 produziert einen Eiweißstoff, der in der Stresssituation Tumorsuppressorgene aktiviert. Ist dieser durch Mutation des p53 in seiner Struktur verändert, bildet das Immunsystem in manchen Fällen Antikörper dagegen. Diese lassen sich in einer Blutprobe durch den ELISA Test nachweisen. Dazu lässt man die Antikörper spezifisch an eine Unterlage binden und versieht diese mit einem Protein, welches indirekt eine Farbreaktion auslösen kann. Die Intensität der Färbung lässt sich danach mit einem Photometer messen. Je intensiver die Färbung, desto höher die Antikörperkonzentration. Kann man Antikörper nachweisen, hat sich mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ein Tumor gebildet.

Die Arbeit im Labor war sehr spannend und kurzweilig. Während wir auf unsere Versuchsergebnisse warten mussten, durften wir das besondere Mitmach-Flair der Experimenta Dauer- und Sonderausstellung genießen. Mit sehr viel Spaß erzeugten wir Klänge verschiedenster Art, lenkten Autos, ließen uns in der Computersimulation 20 Jahre älter machen, bauten eine Brennstoffzelle zusammen, erzeugten mit Wasserkraft Strom, reisten zum über 5000°C heißen Erdkern und vieles mehr.Als die Ergebnisse vorlagen, wurde besonderen Wert auf die Auswertung der erhobenen Daten gelegt und somit die Relevanz der Verknüpfung von Theorie und Praxis erfolgreich vermittelt. Für die sehr klar strukturierten Ausführungen der notwendigen Theorie und Praxis wollen wir uns bei Frau Artemann und für die tatkräftige Unterstützung bei der Laborarbeit bei Herrn Herzog sehr herzlich bedanken.

Jeder Blumenkohl hat mehr Gene als DU!

Begabten AG Aktuelle Forschung Molekularbiologie gewinnt Preis der Wirtschaftsstiftung Südwest

Biologische Kuriositäten wie 'Jeder Blumenkohl hat mehr Gene als DU!' dienen der Begabten AG als Anlass, sich mit aktueller molekularbiologischer Forschung zu beschäftigen. Dabei werden als Schwerpunkte die Themenbereiche neuere Methoden der Genmanipulation, Epigenetik sowie Bioinformatik abgedeckt. Die AG kooperiert eng mit Forschungsinstitutionen wie KIT, EMBL Heidelberg (European Molecular Biology Laboratory) sowie Experimenta Heilbronn, um sowohl praktische Einblicke in die Forschungspraxis zu vermitteln als auch Persönlichkeiten und Lebensläufe von Forschern kennen zu lernen. Ziel ist auch das Erstellen von Produkten wie zum Beispiel Erklärvideos und Präsentationen.

Da Schülerinnen und Schülern durch die AG frühzeitig produkttechnische und wirtschaftliche Fragestellungen nahe gebracht werden und die Auseinandersetzung mit dem Unternehmertum gefördert wird, erhielt die Begabten AG des Albertus-Magnus-Gymnasiums den mit 500 € dotierten Preis der Wirtschaftsstiftung Südwest. Aus 41 Bewerbungen gewannen 5 Projekte aus allen Schularten, die unterschiedlicher nicht hätten sein können, den Wirtschaftspreis. Die Vielfalt reicht von Eigenproduktion und Vermarktung eines Kugelschreibers, Maschinenkonstruktion mit Fischertechnik, Trinkwasseraufbereitung mit Photovoltaik bis hin zur Eigenkonstruktion eines ferngesteuerten UNIMOGs. Insgesamt gingen in diesem Jahr zwei Auszeichnungen nach Ettlingen. Auch die Schillerschule erhielt einen Preis.

Am 31. Januar 2017 bekam die AG ihren Scheck unter anderem vom Vorstandsvorsitzenden der Wirtschaftsstiftung Südwest Michael Kaiser sowie von Schirmherrin Bürgermeisterin Gabriele Luczak-Schwarz überreicht. Für die uns entgegengebrachte Anerkennung wollen wir uns sehr herzlich bedanken. Sie stellt für unsere jungen Forscherinnen und Forscher eine ganz entscheidende und prägende Motivation dar.

Fotos mit freundlicher Genehmigung von Petra Bader (Wirtschaftsstifung Südwest)

Die Begabten AG zu Besuch im Steinbuch Centre for Computing am KIT

Wie man mit Omas Schokokuchenrezept einen Nobepreis gewinnt

Der EMBL Postdoc Mai Sun zu Besuch bei der Begabten AG

Am 23. November 2016 besuchte der ursprünglich aus Beijing stammende, aber seit langem am EMBL (European Molecular Biology Laboratory) in Heidelberg forschende, Postdoc Mai Sun unsere Begabten AG am AMG. Herr Sun erforscht dort Wechselwirkungen zwischen Protein (Fpr1p, homolog zu menschlichem FKBP12) und Botenmolekülen (mRNA) im Plasma von Hefezellen. Bei uns hielt er einen sehr kurzweiligen und beeindruckenden Vortrag über genetische Manipulation.

Ebenso eindrücklich wurde dargestellt, welche unterschiedlichen genetischen Manipulationen in der Wissenschaft üblich sind (Deletion, Insertion, Punktmutation) und welcher neuen Technologien man sich zu deren Durchführung bedient (TALEN, Zinkfingernukleasen, CRISPR/Cas9).

Diese neuen Methoden ermöglichen eine bisher nicht gekannte Präzision und Effektivität von genetischen Manipulationen. Bisher war der Erfolg von gentechnischen Veränderungen unwahrscheinlich, mit viel Arbeit verbunden, teuer und auch in hohem Maße abhängig von Zufall. Das hat sich jetzt durch Fortschritte in der Methodik geändert, was die auf Gentechnik basierende Forschung erheblich beschleunigen wird.

In anderen Worten, man kann jetzt also Omas Schokokuchen mit oder ohne Glasur backen, ihm statt einer Schokoglasur eine Zuckerglasur verpassen, oder ihn mit Erdbeeren belegen bzw. die Erdbeeren durch Himbeeren ersetzen und das seit neustem äußerst präzise und kostengünstig. Alles klar?!

Einen Nobelpreis erhielt 2016 eine japanische Arbeitsgruppe, die durch das gezielte Ausschalten (knockout) von Genen an Hefezellen herausfand, wie der Abbau (Autophagie) von funktionslos gewordenen Molekülen in Zellen sowie von defekten kleinen Zellorganen durch Gene gesteuert wird. Das sind wichtige Erkenntnisse zum Beispiel für die Krebstherapie. So hofft man, Tumore durch eine gezielte Aktivierung dieser Entsorgungsmechanismen eines Tages bekämpfen zu können.

Wir bedanken uns sehr herzlich für den spannenden Vortrag bei Mai Sun und sind davon überzeugt, dass er ebenfalls bedeutende wissenschaftliche Auszeichnungen erhalten wird.