12 anschauliche Modelle zu Chromosomen, DNA und Gentechnik

Astrid Wasmann

Klasse 8–10

Biologie begreifen:

Genetik

Mit CD

Astrid Wasmann

Biologie begreifen: Genetik 33 anschauliche Modelle zur Gentechnik

Downloadauszug aus dem Originaltitel:

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agVorwort

Liebe Kollegin, lieber Kollege,

kürzlich hörte ich, wie zwei junge Menschen sich beim Einkaufen über „Gentomaten“ unterhielten. „Wie gefährlich sind die eigentlich?“, fragten sie sich. Mit etwas genetischem Grundwissen kommt man darauf, dass alle Tomaten Gene enthalten, und zwar in jeder ihrer Zellen. Gentechnisch veränderte Tomaten – das war wahrscheinlich damit gemeint – kommen gar nicht in unsere Supermärkte. So oder so ähnlich findet man viele Informationslücken zur Genetik und Gentechnik. Nichtwissen ruft Ängste gegenüber Gentechnik hervor. Daher halte ich es für außerordentlich wichtig, dass Schülerinnen und Schüler sich mit diesen The-men schon früh, also in der Sekundarstufe I, intensiv auseinandersetzen und Zusammenhänge verstehen.

Leider verleiten die vielen Fachbegriffe in der Genetik dazu, vieles lediglich auswendig zu lernen. Ein Para-debeispiel hierfür sind die Themen „Mitose“ und „Meiose“. Seit Generationen lernen Schülerinnen und Schüler die vielen Phasen einfach auswendig. Die Begriffe werden nach einem Biologie-Test aber schnell wieder vergessen. Dieses Heft will Verstehensprozesse in Gang setzen. Aufgrund der Auseinandersetzung mit diesen Prozessen bauen Schülerinnen und Schüler echte Verständnisse auf.

Anschauliche Modelle sind für das Verstehen genetischer Phänomene ebenfalls sehr hilfreich. Damit kön-nen sich viele Schüler die für die Vererbung wichtigen Strukturen und Prinzipien besser vorstellen. Gleich-zeitig lernen sie einen reflektierten Umgang mit Modellen.

Strukturierte Diskussionsrunden fördern die Bewertungskompetenz der Schüler.

Das hier vorgestellte Material kann ergänzend und unterstützend zu den Informationen in den Schulbü-chern eingesetzt werden.

Im Zusatzmaterial liegen die Bastelvorlagen in einer farbigen Variante zum Ausdrucken vor. Hinzu kommen PowerPoint-Präsentationen zum Vorführen oder zum interaktiven Selbstlernen. Die PowerPoint-Präsenta-tionen können auch als OHP-Folien genutzt werden, z. B. als Auflege-Folien. Sie sind zudem whiteboard-geeignet.

Ich wünsche Ihnen viel Freude beim Ausprobieren!

Ihre

Dr. Astrid Wasmann

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LNatürlicher Gentransfer bei Bakterien

ZieleSchüler lernen den natürlichen Gentransfer zwischen Bakterien als Voraussetzung für gentechnische Verfahren kennen.

SachanalyseDie Einführung in die Bakteriengenetik ist für das Verständnis von Gentechnik wichtig, denn die Gen-techniker haben ihre Methoden den natürlichen genetischen Vorgängen bei Bakterien abgeguckt. Bakterienzellen sind anders aufgebaut als die Zellen höherer Lebewesen. Die Bakterienzellen haben keinen Zellkern. Man nennt sie Prokaryoten im Gegensatz zu den eukaryotischen Zellen aller übrigen Lebewesen. Bakterien vermehren sich durch Zellteilung. Unabhängig davon können sie DNA aufnehmen oder aus-tauschen. Man findet drei verschiedene Vorgänge:

� Transduktion: Erbsubstanz wird mithilfe eines Virus von einer Bakterienzelle auf eine andere über-tragen. Das Virus ist der übertragende Vektor.

� Konjugation: Zwei Bakterienzellen legen sich aneinander. Über eine Plasmabrücke wird DNA ausgetauscht. Dabei wandert ein Plasmid durch die Plasmabrücke von einer Bakterienzelle in die andere. Die Richtung ist festgelegt.

� Transformation: DNA, die außerhalb der Bakterienzelle liegt, wird in die Zelle aufgenommen.

Auf den Plasmiden (ringförmige, kleinere DNA-Einheiten) liegen viele wichtige Gene. Ein Beispiel sind Resistenzgene, die die Information für Antibiotika-Resistenz enthalten. Dadurch können Bakterien sehr flexibel auf veränderte Umweltbedingungen reagieren. Manchmal liegen über 90 % der Gene auf den Plasmiden. Diese genetischen Informationen sind sehr veränderlich.Erst wenn Schüler den Genaustausch der Bakterien verstanden haben, kann die Gentechnik des Men-schen angegangen werden. Um diesen Austausch von Genen, der so ganz anders als beim Menschen verläuft, zu verstehen, bietet sich der Einsatz des Word-Dokuments „Konjugation“ aus den Zusatz-materialien an. Plasmide als Vektoren spielen auch in der Gentechnik die größte Rolle. Deshalb wird nur diese so aus-führlich dargestellt.

KompetenzenSchüler erwerben Fachwissen über die Besonderheiten der Bakteriengenetik.

Methodische HinweiseFühren Sie die genetischen Besonderheiten der Bakterien erst nach Einführung in den Aufbau einer Bakterienzelle ein.

TippNutzen Sie das Word-Dokument zur Konjugation aus den Zusatzmaterialien.

Tafelbild

Spenderzelle

Plasmabrücke

Empfängerzelle

Chromosom

Mesosom

Plasmid

Zellwand

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SNatürlicher Gentransfer bei Bakterien

Informationsblatt 1

AuftragErarbeitet in einem Gruppenpuzzle den natürlichen Gentransfer bei Bakterien.

MaterialInformationsblätter 1, 2 und 3

DurchführungBildet Dreiergruppen, die jeweils zu „Experten“ für eine Gentransfer-Variante werden. Setzt euch anschlie-ßend in entsprechenden Expertenrunden zusammen. Geht dazu wie folgt vor: Wählt eine der drei Gen-transfer-Varianten. Lest euch die Information über den Genaustausch durch und fragt zuerst bei euren Gruppenmitgliedern nach, wenn ihr etwas nicht verstanden habt. Tragt euch den Inhalt gegenseitig vor. Geht nach zehn Minuten eine Gruppe weiter, sodass in einer Gruppe ein Experte für Transduktion, ein Experte für Transformation und ein Experte für Konjugation sitzen. Erklärt euch nun gegenseitig die drei verschiedenen Formen des Genaustauschs.

Gruppenarbeit I (10 min) Gruppenarbeit II (15 min)Experten für:1.

Transduktion Konjugation Transformation Expertenrunde

Transduktion

Als Transduktion bezeichnet man die Übertragung von Genen mithilfe von Bakteriophagen (Abkürzung = Phagen). Das sind Viren, die auf Bakterien spezialisiert sind. Sie infizieren Bakterien und bauen ihre DNA in die des Bakteriums ein. Auf diese Weise können sie sich vermehren und die Bakterien sterben ab.Bei diesem Vorgang kann es passieren, dass fälschlicherweise Teile der bakteriellen DNA anstelle der ganzen Phagen-DNA oder Teile von ihr in die Phagen-Hülle verpackt werden. Dieser „falsch bepackte“ Bakteriophage ist defekt und wird bei der nächsten Bakterienzelle, die er infiziert, zwar die DNA in das Bakterium abgeben – neue Phagen werden jedoch nicht mehr produziert und das Bakterium kann auch nicht zerstört werden. Die neue DNA eines anderen Bakteriums kann so in das Bakterienchromosom integriert werden.

Chromosom

PlasmidBakterienzelle

Bakteriophage(Virus) Zellwand

DNA-Faden der Phage

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agInformationsblatt 2

Konjugation

Bei der Konjugation legen sich zwei Bakterien zusammen. Sie bilden eine Plasmabrücke aus. Über diese werden kleinere DNA-Einheiten, die Plasmide, ausgetauscht. Das sind ringförmige Träger der Erbinformation. Ein Plasmid wandert aus dem Spender-Bakterium durch die Plasmabrücke in das andere Bakterium (Empfänger-Bakterium). Bei einer weiteren Vermehrung durch Zweiteilung wird die hier enthaltene Erbinformation an die nachfolgenden Generationen weitergegeben. Häufig sitzen Gene mit der Information zur Resistenz gegen eine bestimmte Substanz auf dem ausgetauschten Plasmid. Das sind z. B. Resistenzen gegen Antibiotika wie das Penicillin oder Ampicillin. Die Übertragung erfolgt nicht nur auf Bakterien der gleichen Art, sondern auch auf andere Bakterien.

Konjugation

1. Zwei Bakterienzellen legen sich aneinander.

2. Eine Plasmabrücke wird ausgebildet.

3. Ein Plasmid bewegt sich von der Spenderzelle hinüber in die Empfängerzelle.

4. Auf dem Plasmid sitzt wichtige Erbinformation.

5. Die Plasmabrücke wird wieder gelöst.

Spenderzelle Empfängerzelle

Plasmabrücke

Plasmid

Chromosom

Mesosom

Plasmid

Zellwand

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agInformationsblatt 3

Transformation

1928 gelang Frederick Griffith ein Experiment, mit dem er die Transformation von Erbsubstanz bei Bakterien nachwies. Er arbeitete mit Streptokokken, die bei Mäusen Lungenentzündung auslösen können. Allerdings gibt es zwei Formen dieser Bakterienart. Die krankmachende Art, der S-Typ, ist von einer Kapsel umhüllt. Die andere, der R-Typ, besitzt keine Schutzhülle. Diese ist harmlos und löst keine Lungenentzündung aus. Griffith führte sein berühmtes Experiment in vier Schritten durch:1. Er impfte Bakterien vom S-Typ in Mäuse. Sie wurden krank.2. Er impfte Bakterien vom R-Typ. Die Mäuse blieben gesund.3. Er tötete die Bakterien des S-Typs und infizierte damit Mäuse. Sie blieben gesund.4. Er impfte tote Bakterien der S-Form und lebende Bakterien der R-Form. Die Mäuse erkrankten und

die meisten starben.

Als Erklärung für die Erkrankung im vierten Schritt blieb nur, dass die lebenden R-Bakterien den krankmachenden Faktor der toten aufgenommen haben mussten und so zu krankmachenden wurden. Die krankmachenden Bakterien waren zwar tot. Es konnte aber nicht verhindert werden, dass das krankmachende Gen auf die lebenden übertragen wurde. Durch diese DNA-Aufnahme werden die R-Bakterien zu S-Bakterien transformiert, also umgewandelt. Es stellte sich heraus, dass sie die frei herumliegende DNA der toten S-Bakterien einfach aufnahmen und so die Information für die krankmachende Wirkung eingeschleust wurde. Diesen Vorgang nennt man Transformation. Isolierte DNA gibt es überall, auch an der Körperoberfläche des Menschen befinden sich DNA-Stücke.

krankmachende Bakterien: S-Typ

Maus stirbt

nicht krankmachende Bakterien: R-Typ

Maus bleibt gesund

tote Bakterien:S-Typ

Maus bleibt gesund

tote Bakterien: S-Typ + lebende Bakterien: R-Typ

Maus stirbt

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LGentechnik: Einbau eines Fremdgens

ZieleSchüler lernen mit dem Einbau eines Fremdgens in ein Plasmid ein gentechnisches Verfahren kennen.

SachanalyseUnter Gentechnik versteht man den gezielten Einbau eines artfremden Gens in eine Organismen-Art. Gentechniker bauen eigentlich nur nach, was bei Bakterien von Natur aus passiert: Konjugation, Transduktion und Transformation. Sie benutzen die in der Natur vorkommenden Schneideenzyme (= Restriktionsenzyme), die an bestimmten Stellen die DNA auftrennen können. Die gibt es bei Mensch, Tier und Pflanze. Es wird an der geöffneten DNA-Stelle das Gen einer anderen Tier-, Pflanzen- oder Pilzart eingebaut, indem die offenen Enden der DNA (= sticky ends), der eigenen und der Fremd-DNA, sich durch Basenpaarung finden und über Wasserstoffbrücken binden. Anschließend werden Ligasen (= Klebeenzyme) aktiv. Diese fügen die DNA-Fragmente durch kovalente Bindungen fest zusam-men. Der Organismus besitzt nun ein Fremdgen, das heißt das Gen einer anderen Art. Gentechnische Anwendun-gen sind grundsätzlich möglich, weil die Verschlüsselung des DNA-Codes universell ist. Die Anweisung, wie ein Protein über Transkription und Translation zusammengebaut wird, gilt bis auf einzelne Ausnahmen für alle Lebe-wesen gleichermaßen. Wenn also ein Humangen in das Bakterium Escherichia coli eingeschleust wird, kann dieses nicht anders, als das Eiweiß nach der im Gen verschlüsselten Anweisung zu synthetisieren.Häufig werden Bakterien und Pilze industriell genutzt, um Stoffe herzustellen, die sie selbst nie produziert hätten. Neben der Insulinproduktion durch Escherichia coli ist die Herstellung von Zitronensäure durch den Schimmelpilz Aspergillus verbreitet.Neben den Restriktionsenzymen und Ligasen sind Plasmide und Viren wichtige Werkzeuge der Gentechniker. In die mobilen Plasmide lassen sich leicht Fremdgene einbauen und dann über Konjugation in Bakterienzellen einschleusen. Die Plasmide dienen als sogenannte Genfähren. Sie bringen die fremden Gene an die Stelle, an der sie aktiv werden sollen. Den Organismus, der ein fremdes Gen erhält, nennt man transformiert oder GVO (= gentechnisch veränderter Organismus). Heute liest man häufig die Abkürzung GMO des englischen Begriffs „genetically modified organism“. Der Prozess ist in einer PowerPoint-Präsentation und in einem Word-Dokumentin den Zusatzmaterialien bildlich dargestellt.

KompetenzenSchüler bauen Verständnisse über Formen des Genaustauschs auf und entwickeln eine Vorstellung von gen-technischen Verfahren. Sie erweitern ihre Modellkompetenz.

Methodische HinweiseDer Einbau eines Fremdgens kann binnendifferenziert durchgeführt werden. Lernschwächeren Schülern wird das Arbeitsblatt Einbau eines fremden Gens – leistungsdifferenziert I angeboten, während die Leistungsstarken die Arbeitsblätter Einbau eines fremden Gens – leistungsdifferenziert II erhalten. Diese lernen zunächst die Schneide-werkzeuge (Restriktionsenzyme) kennen und bauen dann ein Fremdgen an den jeweils möglichen Stellen ein.

Tipps Bereiten Sie ein Plakat mit dem Bild eines übergroßen Bakteriums vor. Dort hinein kleben alle Schüler aus beiden Leistungsniveaus ihre „gentechnische Manipulation“. Man kann auch ein Bakterium groß an die Tafel zeichnen. Auch dort können die Schüler zum Abschluss ihre transformierten Plasmide aufkleben.

Lösung

transformiertes Bakterium (= GMO)

transformierte Plasmide

Fremdgen

DNA, geschnitten mit dem Restriktionsenzym Pvul

DNA, geschnitten mit dem Restriktionsenzym EcoRI

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SGentechnik: Einbau eines Fremdgens – leistungsdifferenziert I

Human-DNA (= menschliches Gen)

Plasmid

VersuchsfrageWie wird ein bakterienfremdes Gen eingebaut?

MaterialArbeitsblatt, Malstifte, Schere, Plakat, Klebstoff, Klebestreifen

DurchführungSchneide das menschliche Gen und das Plasmid des Bakteriums aus. Schneide einen Teil von der Größe des menschlichen Gens aus dem Plasmid heraus.Klebe nun das menschliche Gen in das geöffnete Plasmid ein.

Malt zum Abschluss der Aufgabe gemeinsam ein großes Bakterium auf ein Plakat und klebt alle Plasmide dort hinein.

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SGentechnik: Einbau eines Fremdgens – leistungsdifferenziert II, Teil 1

Handwerkzeuge der Gentechniker

RestriktionsenzymeMithilfe von Restriktionsenzymen kann man die DNA schneiden. Diese Enzyme haben die Eigenschaft, die DNA an einer ganz bestimmten Sequenz zu durchtrennen. Das Restriktionsenzym Pvul beispielsweise erkennt die Sequenz TA mit dem gegenüberliegenden Basen AT. Es schneidet zwischen TA bzw. AT die DNA glatt durch:

C C G G A T A A A A C CG G C C T A T T T T G G

Ein anderes sehr bekanntes Restriktionsenzym heißt EcoRI und kommt im Bakterium Escherichia coli vor. Dieses Enzym schneidet die DNA nicht glatt, sondern versetzt durch. Es erkennt die folgende Sequenz:

G A A T T CC T T A A G

Dadurch entstehen sogenannte „sticky ends“. An diesen offenen Basen fügen sich durch die Basenpaa-rung über Wasserstoffbrücken wieder komplementäre Nukleotide automatisch an.

MaterialAusschneidebogen, Schere, Klebestreifen

AuftragSchneide die DNA mit dem Restriktionsenzym Pvul durch. Benutze dazu eine Schere.

DNA des Bakteriums

A A T G C C G G T A A C C T T T T G G A A T T G C T A C TT T A C G G C C A T T G G A A A A C C T T A A C G A T G A

AuftragSchneide die DNA mit dem Restriktionsenzym EcoRI durch. Benutze dazu eine Schere.

DNA des Bakteriums

A A T T C C G G A A T T C T T T T G G A A T T G C T A C TT T A T G G C C T T A A G A A A A C C T T A A C G A T G A

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SGentechnik: Einbau eines Fremdgens – leistungsdifferenziert II, Teil 2

AuftragBaue mit dem Papiermodell ein menschliches Gen in ein Bakterien-Plasmid ein.

MaterialAusschneidebogen, Schere, Klebestift, Klebestreifen

DurchführungEin Gentechniker möchte das Gen eines Menschen in ein Bakterium einbauen. Dabei handelt es sich um das Gen, welches die Anweisung für Insulin gibt. Insulin ist wichtig, um den Glucose-Gehalt des Blutes auszugleichen.Baue dafür aus den zwei Papierstreifen ein Plasmid zusammen.Plasmide sind mobile DNA-Ringe, die zwischen Bakterien ausgetauscht werden – z. B. über Konjugation – und die Gene von außen aufnehmen können (Transduktion).Schneide das Plasmid mithilfe eines EcoRI-Restriktionsenzyms durch. Informiere dich, wie es das Bakte-rien-Plasmid auftrennt. Schneide das Insulingen so auseinander, dass es an die klebrigen Enden („sticky ends“) des Plasmids passt. Füge nun das Insulingen in das Plasmid ein, indem du die „sticky ends“ mit Klebestreifen zusammenklebst. Das neue Gen ist ein Fremdgen für das Bakterium, denn es stammt von einer anderen Art. Trotzdem wird es angenommen und liefert die Information für den Zusammenbau des Eiweißes Insulin. Das Plasmid ist nun transformiert.

DNA eines Plasmids aus einem Bakterium

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DNA des Humangens für Insulin

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LSich über Gentechnik ein eigenes Urteil bilden

ZieleDie Schüler sollen sich auf der Basis von Sachinformation und Argumenten ein eigenes Urteil über den Einsatz von Gentechnik bilden.

SachanalyseEs gibt viele Anwendungsbereiche gentechnischer Produkte. Am bekanntesten ist wohl die Insulinproduktion durch Bakterien beziehungsweise durch Hefe. Ein anderes Feld stellt die Pflanzenzucht dar, die mithilfe von gentechni-schen Verfahren gezielter und schneller gegenüber herkömmlichen Züchtungsmethoden neue Produkte herstellt. In der industriell ablaufenden Landwirtschaft werden die weltweit am meisten angebauten Produkte Soja, Baum-wolle und Mais bereits überwiegend mit gentechnisch verändertem Saatgut hergestellt. Nur in Europa, und damit Deutschland eingeschlossen, erlauben die strengen gentechnischen Gesetze keine große Ausbreitung von gentech-nisch veränderten Pflanzen. Gentechnik-Gegner in Deutschland führen gegen den Einsatz von Bt-Mais (schädlings-resistenter Mais, in den durch gentechnische Veränderung ein oder mehrere Gene des Bakteriums Bacillus thurin-giensis eingebaut wurden) an, dass noch nicht alle Auswirkungen auf die Natur und auf den Menschen getestet wurden, vor allem Langzeituntersuchungen fehlen. Die Anbauflächen von gentechnisch veränderten Pflanzen spielen in Deutschland keine Rolle mehr, denn Gen-technik-Gegner haben konstant protestiert und die durch viele Genehmigungsverfahren erlaubten Versuchsfelder immer wieder zerstört. Saatgutunternehmen sind ins Ausland abgewandert.Gentechnik ist in Deutschland insbesondere im Lebensmittel-Sektor ein sehr umstrittenes Verfahren. Ein nach-haltiges Projekt, um dem Welthunger zu begegnen, bildet der gentechnisch entwickelte Golden Rice, der durch den Einbau von Carotinoiden Kinder in armen Ländern der Welt vor Mangelernährung schützen soll.

KompetenzenSchüler erwerben Fachwissen über moderne gentechnische Verfahren und Produkte. Sie bauen Bewertungs-kompetenz auf.

Methodische HinweiseDie Beispiele 1 bis 4 können sehr gut arbeitsteilig in Gruppen erarbeitet werden. Jede Gruppe überlegt sich beim Lesen Vor- und Nachteile der gentechnischen Verfahren für ihr Gentechnik-Beispiel. Sie halten auch mögliche Gefahren, die von ihrem Produkt ausgehen könnten, schriftlich fest. Im nächsten Schritt stellen die Gruppen nacheinander eine gentechnische Anwendung vor und nennen im An-schluss Vor- und Nachteile. Diese werden vom Lehrer an der Tafel festgehalten und mit der ganzen Klasse diskutiert.

TippsDie empfehlenswerte Internetseite www.transgen.de lädt zum Recherchieren ein. Diesen Auftrag könnten die Schüler als Hausaufgabe erhalten.

Lösung

Mögliche Argumente für und gegen Gentechnik

Von Gentechnik-Gegnern Von Gentechnik-Befürwortern

� Starkes Eingreifen in die Natur

� Horizontaler Gentransfer (= Austausch von Genen zwischen zwei Arten)

� Langzeitversuche fehlen noch

� Gefahr von Monokulturen

� Patente auf Saatgut

� Auswirkungen der Freisetzung von GVOs nicht abschätzbar

� Unkontrollierte Ausbreitung neuer Gene

� Artbarriere wird überschritten

� Resistenz gegen Pflanzenkrankheiten

� Geringerer Einsatz von Pflanzenschutzmitteln

� Medikamente für kranke Menschen

� Größere Trockenresistenz

� Geringerer Pestizideinsatz

� Erntesteigerung

� Beitrag zur Welternährung

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SSich über Gentechnik ein eigenes Urteil bilden

Die blaue Rose

Blaue Rosen sind bei Japanern sehr beliebt. Sie ver-schenken sie häufig nett verpackt zu Hochzeiten. Vor nicht allzu langer Zeit gab es diese Rosenfarbe noch gar nicht, denn von Natur aus besitzen Rosen keinen blauen Farbstoff. Über konventionelle Züchtung gelang es, Rosen in Variationen von zartrosa bis dunkelrot zu züchten. Erst 2008 kam die blaue Rose auf den Markt. Gentechnik ermöglichte die neue Blütenfarbe. Nach langer Forschungsarbeit gelang es zwei Firmen, ein Gen für den blauen Farbstoff in das Rosengenom ein-zubauen. Erst als sie die Gene für den roten Farbstoff in den Blüten der Rosen ausschalteten, wurde die gen-manipulierte Rosenblüte blau. Das Gen für die blaue Farbe stammt aus Petunien und Veilchen. Blaue Rosen sind demnach transgene Lebewesen oder GVOs (gentechnisch veränderte Organismen).

Inzwischen kann man blaue Rosen in vielen Ländern kaufen, jedoch nicht in Deutschland, da die Gentechnik-Gesetze die Verbraucher vor gentechnisch veränderten Waren schützen. Allerdings wurde in Deutschland 1987 die erste gentechnisch veränderte Schnittblume, eine blaue Petunie, hergestellt. Das war damals ein Meilenstein in der Gentechnik-Forschung.

Inzwischen wird an weiteren gentechnischen Veränderungen von Blumen geforscht. Zum Beispiel werden gentechnisch Blumen erzeugt, die kälteresistent sind, auf ihren langen Transportwegen quer über die Welt nicht zu reif werden, extrem trockene Böden ertragen oder mit ungewöhnlichen Farben auffallen.

AuftragInformiert euch über gentechnische Anwendungen in Industrie und Wirtschaft und führt eine Diskussion über Vor- und Nachteile von Gentechnik.

MaterialVier Texte

Durchführung1. Bildet vier Gruppen. Jede Gruppe ist für die Vorstellung eines Anwendungsbereichs zuständig. Lest

euch den Text gut durch, klärt Fragen innerhalb der Gruppe und notiert Vor- und Nachteile, die ihr in dieser Anwendung seht.

2. Präsentiert den anderen euer gentechnisches Produkt.3. Stellt Vor- und Nachteile für dieses Produkt vor.4. Diskutiert gemeinsam in der Klasse das Pro und Kontra des Einsatzes von Gentechnik.

Gruppe 1

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Gruppe 2

Gentechnisch hergestelltes Insulin

Menschen, die an Diabetes leiden, benötigen das Hormon Insulin, weil ihr Körper nicht genug davon produziert oder die Bauchspeicheldrüse die Her-stellung von Insulin ganz eingestellt hat. Insulin dient dazu, den Blutzucker zu regulieren. Ein hoher Blutzucker-spiegel führt bei gesunden Menschen dazu, dass Insulin ausgeschüttet wird. Unter Insulineinfluss geht der Blut-zucker (= Glucose) verstärkt aus dem Blut in die Zellen. Bei Diabetikern wird die Glucose nicht mehr aus dem Blut entfernt.

Bei Diabetes Typ I stellt sich oftmals eine plötzliche Einstellung der körpereigenen Insulin-produktion ein. Menschen mit Diabetes Typ II sind meist älter. Bei ihnen hat die Bauchspei-cheldrüse lange Jahre sehr viel Insulin herstellen müssen. Die Produktion kann nachlassen. Beide Patiententypen sind auf eine künstliche Zufuhr von Insulin angewiesen. Früher erhiel-ten Diabetiker Schweineinsulin. Das wurde aus den Bauchspeicheldrüsen von Schweinen, die bei den Schlachtereien abfielen, gewonnen. Aber nicht alle Menschen vertragen dieses Insulin, da es eine etwas andere Zusammensetzung als das menschliche Insulin hat.

Seit 1989 stellt man deshalb mithilfe des Bakteriums Escherichia coli menschliches Insulin her. Es ist das erste gentechnisch veränderte Lebewesen, das kranken Menschen dient.

Diesen Bakterien wird ein menschliches Gen eingesetzt. Und zwar fügt man es in ein Plasmid ein, welches dieses wie eine Fähre (= Genfähre) in das Bakterium transportiert. Nun ist das mit einem menschlichen Insulingen ausgestattete Bakterium transgen. Es ist ein GVO (gen-technisch veränderter Organismus). Das eingebaute Gen enthält die Information, menschli-ches Insulin zu produzieren. Also baut das Bakterium E. coli nach Anweisung des Gens aus Aminosäuren genau das menschliche Insulin zusammen. In großen Bottichen werden riesige Mengen E. coli kultiviert, nur um Insulin herzustellen. Mittlerweile müssen Mikrobiologen gar keine menschlichen Gene mehr isolieren, da das Insulingen im Labor künstlich hergestellt und in die Bakterien eingeschleust wird.

Im Herstellungsverfahren des Insulins laufen mehrere Prozesse ab. Zuerst werden die trans-genen Bakterien vermehrt. Diese produzieren die zwei Stränge des Insulins und sterben danach ab. So wird das Insulin freigesetzt. Am Ende müssen die beiden Insulinstränge noch über chemische Bindungen zusammengefügt werden.

Das gentechnische Verfahren der Insulinherstellung hat sich für viele Diabetes-Patienten als lebensrettend erwiesen. Viele Diabetiker können heutzutage ein fast normales Leben führen.

© fovito – Fotolia.com

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Gruppe 3

Goldener Reis

In weiten Teilen der Erde sind Men-schen unterernährt oder haben Man-gelkrankheiten, weil sie zu wenig Vitamine mit ihrer Nahrung erhalten. Weltweit leiden 125 Mio. Kinder schon im Vorschulalter an Vitamin-A-Mangel. Die Unterversorgung mit dem Vitamin führt zu Wachstumsstörungen, einem schwachen Immunsystem und zu Sehstörungen. Laut WHO (engl. World Health Organisation = Weltgesund-heitsorganisation) erblinden aus diesem Grund jedes Jahr über 500 000 Kinder. Viele der erblindeten Kinder sterben nach kurzer Zeit, weil in ihren Ländern Behinderte schlecht versorgt werden.

Reis ist das Hauptnahrungsmittel sehr vieler Menschen in Asien. Wenn Menschen tagtäglich von einer Schale Reis leben, sind sie nicht ausreichend mit Vitaminen versorgt, denn Reis enthält zwar viele Kohlenhydrate, aber nicht genügend Vitamine. So ist z. B. nur sehr wenig Carotin im Reis, was man dem traditionellen weißen Reis auch ansieht, denn Carotine sind gelb-orange bis rötliche Farbstoffe. Obst und Gemüse als Ergänzung stehen dort meist nicht zur Verfügung.

Carotin wird über die Nahrung aufgenommen und im menschlichen Körper in Vitamin A umgewandelt. Dieser chemische Stoff wiederum bildet die Vorstufe des Farbstoffes, der das Farbsehen ermöglicht.

Wissenschaftler haben deshalb eine Reissorte entwickelt, die ausreichend Vitamin A enthält. Hierzu wurden im Labor ein Gen der Osterglocke und eines aus einem Bakterium in das Reisgenom eingefügt. Beide zusammen bilden Carotin. Die dadurch entstandene gelbe Farbe verleiht diesem Reis den Namen „Goldener Reis“.

Mit nur 70 g Goldenem Reis am Tag kann ein Kind vor der Unterversorgung mit Vitamin A geschützt werden.

Der Anbau dieser Reissorte wurde 2012 zum ersten Mal in Asien zugelassen. Die Reissorte wird Kleinbauern in China, Indien, Bangladesch und auf den Philippinen kostenlos zur Ver-fügung gestellt, damit diese die neue mit Vitamin A angereicherte Reissorte auf ihren Feldern anbauen. Die Einkreuzung in lokale Reissorten ist erwünscht, damit sich die Ernährungs-situation unter der armen Landbevölkerung in Ostasien langfristig verbessert.

Wird das Saatgut des Goldenen Reis allerdings von Industrieunternehmen vermarktet, müssen diese eine Patentgebühr zahlen.

© International Rice Research Institute (IRRI)/Wikipedia, Lizenz CC BY-SA 2.0

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Gruppe 4

Bt-Mais

Mais wird weltweit auf sehr vielen landwirtschaftlichen Flächen angebaut. Da die Pflanze oft als Monokultur angebaut wird, machen sich sehr viele Schädlinge breit. Vor allem bei Trockenheit ist Mais besonders anfällig für Schadinsekten. Der schlimmste Feind ist dann der Maiszünsler. Das ist ein kleiner Schmetterling, der den Maisbauern schon seit über 100 Jahren zu schaffen macht. Die Raupen dieses kleinen Schmetterlings dringen im Früh-jahr in die Maispflanzen ein und fressen sich im Laufe des Sommers durch die Stängel. Der Mais ist geschwächt und knickt leicht um.

Agrarwissenschaftler haben gentechnisch Maissorten hergestellt, die gegen verschiedene Schädlinge resistent sind. Der gentechnisch veränderte Mais (Bt-Mais) enthält Resistenzgene, die ihn gleich gegen mehrere Schadinsekten schützen. Der Maiszünsler kann durch das Gift eines Bodenbakteriums in Grenzen gehalten werden, denn dieses schädigt nur die Schmet-terlingsraupen, keine anderen Insekten. Forscher kamen auf die Idee, den Mais gentechnisch so zu verändern, dass dieser das Gift, das nur für die Maiszünsler tödlich wirkt, produziert. Ein anderes eingebautes Gen codiert für die Resistenz gegenüber dem vielfach eingesetzten Pflanzenvernichtungsmittel Atrazin. Der Mais wächst, aber das Gras und die Kräuter zwischen den Maispflanzen gehen ein. Damit wird die Ernte wesentlich ertragreicher.

Weltweit findet schon über ein Viertel des Maisanbaus mit gentechnisch veränderten Mais-sorten statt, in Europa ist es jedoch nur ein ganz geringer Anteil. Lediglich Spanien hat eine Zulassung für den Bt-Mais mit eingebautem Schutz gegen den Maiszünsler.

Gegner geben zu bedenken, dass wissenschaftliche Studien über die schädigende Wirkung für andere Arten noch nicht abgeschlossen seien.

Im Maisanbau wird traditionell mit sterilen Hybridsorten gearbeitet. Das heißt, der Mais pflanzt sich in der Natur nicht eigenständig fort. So ist sichergestellt, dass sich die Fremdgene nicht weiter in der Natur ausbreiten.

Der transgene Bt-Mais darf nur als Tierfutter oder für Biogasanlagen verwendet und nicht als Nahrungsmittel im Supermarkt verkauft werden. Gentechnik-Gegner beklagen jedoch, dass bei der Einfuhr nach Deutschland eine strikte Trennung von transgenem und natürlichem Mais nicht garantiert werden kann.

Da aus Mais viele Lebensmittelzusatzstoffe hergestellt werden (Maisstärke, Traubenzucker oder Glucose-Sirup) und diese nicht kennzeichnungspflichtig sind, kann theoretisch auch gentechnisch veränderter Mais verwendet werden.

Resistenzgen für Maiszünsler

Resistenzgen für Atrazin

Resistenzgen für Schadinsekt

Mais-DNA

Fremd-DNA Fremd-DNA Fremd-DNA

Literaturempfehlung

Bücher/ZeitschriftenBiologie 5–10; Genetik begreifbar machen, Heft 9, 2015, Friedrich Verlag.Unterricht Biologie; Genetische Techniken am Menschen, Heft 291, 2004, Friedrich Verlag.Baron, D., Braun, J., Erdmann, U., Hansen, S., Hansen, T., Heinze, R., Hörnemann, A., Lucius, E. (2012): Grüne Reihe. Genetik. Schülerband, Schroedel-

Verlag.Högermann, C., Kricke, W. (2015): Modelle für den Biologieunterricht, Aulis Verlag.Wasmann, A. (2015): Gentechnisch veränderte Lebensmittel – gesundheitliche Schäden oder Lösung der Ernährungsprobleme? in: Meyer, C., Scherak, L.,

Stein, M. (Hrsg.): Ernährung – Eine multiperspektivische Synthese, LIT Verlag, Berlin, S. 26–36.

Internetadressen (abgerufen am 14.10.2016)http://www.biologie-schule.de/genetik.php http://www.mallig.eduvinet.de/bio/Repetito/Meiose1.html http://www.webmic.de/meiose.htm http://www.sn.schule.de/~biologie/medien/blaetter/meiose.PDF http://www.transgen.de/tiere.html http://www.schule-und-gentechnik.de/fuer-schueler/wer-wie-was/gentechnik-abc.html

FilmeGene im Stresstest: http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=27260 FWU Schule und Unterricht: Grundlagen der Genetik, DVD, Art.-Nr. Onlinemedium: 5500509, Art.-Nr. physisches Medium: 4602322.

Bezug von Material BastellädenSupermarktBürobedarf

Bildnachweis:Seite 11: © Bananafish – Fotolia.comSeite 12: © fovito – Fotolia.comSeite 13: © International Rice Research Institute (IRRI), Wikimedia Commons (Lizenz CC BY-SA 2.0), https://commons.wikimedia.org/w/index.

php?curid=14908001

Der besseren Lesbarkeit halber sprechen wir meist nur von Lehrern, Schülern usw. Natürlich meinen wir damit auch die Lehrerinnen, Schülerinnen usw.

Biologie begreifen: Genetik

Dr. Astrid Wasmann ist verheiratet und hat drei erwachsene Kinder. Sie war als Ober-studienrätin an einer Gesamtschule und einem Gymnasium und als Kreisfachbera-terin für Umwelt und Natur tätig. Dazu hat sie viele Lehrerfortbildungen gehalten. Im naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht hat sie innovative Konzepte erprobt. Ihr Schwerpunkt ist offener, experimenteller Unterricht. Sie ist Autorin zahlreicher Veröffentlichungen. Von 2012 bis 2014 arbeitete sie als Vertretungsprofessorin für Biologiedidaktik.

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Redaktion: Janina ZieleckiLayout/Satz: Satzpunkt Ursula Ewert GmbH, BayreuthCoverfoto: © phonlamaiphoto – Fotolia.comIllustrationen: Dr. Astrid Wasmann

Bestellnr.: 10420DA3

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