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Biotechnologie

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Vorbemerkungen

Fachliche Vorbemerkungen

1. Fachspezifischer Bildungsauftrag
Die interdisziplinären Biowissenschaften Biotechnologie, Biologie und Mikrobiologie haben große ökonomische, ökologische und gesellschaftspolitische Bedeutung mit vielfältigen industriellen Anwendungsgebieten im Bereich Life Science.
Anwendungsgebiete der Biotechnologie sind z. B. die industrielle Herstellung verschiedener organischer Substanzen unter Verwendung von Biokatalysatoren, umwelttechnische Verfahren zur Abwasseraufbereitung und Energieproduktion sowie in der Medizin die Bereitstellung von Verfahren zur Therapie und Diagnose von Erkrankungen. In der molekularbiologischen Grundlagenforschung werden biotechnologische Verfahren zur Gewinnung neuer Erkenntnisse herangezogen.
Der Bereich Mikrobiologie beinhaltet das Vorkommen, die Lebenswelt, Kommunikation und Umweltwechselwirkungen von Mikroorganismen sowie ihre Verwandtschaftsbeziehungen, ihren Aufbau, Stoffwechsel, die Struktur und Funktion ihrer Zellbestandteile. Dies sind die Grundlagen für molekularbiologische, biotechnologische und medizinische Anwendungen.
Der Bereich Biologie umfasst das Grundlagenwissen für viele andere Life Sciences wie die Bereiche Zytologie, Enzymatik, Immunologie, klassische Genetik, Physiologie und Ökologie, die es den Schülerinnen und Schülern ermöglichen, sich mit den Zusammenhängen und Wechselwirkungen auf den unterschiedlichsten Niveaus mit Bezug auf Zellen, Organismen und Ökosystemen auseinanderzusetzen. Durch die Einbettung von ökologischen Grundlagen sollen die Schülerinnen und Schüler befähigt werden, Einflüsse ihres Handelns zu bewerten.
Der in diesem Bildungsplan verfolgte Bildungsansatz ist durch ein breites Themenspektrum gekennzeichnet, das die vielfältigen Möglichkeiten, Chancen aber auch Risiken der Biowissenschaften repräsentiert. Schwerpunkt ist in allen Bildungsplaneinheiten die Verknüpfung zwischen fachtheoretischem und fachpraktischem Wissen und damit die Vorbereitung der Schülerinnen und Schüler auf eine moderne und digitale Berufstätigkeit, die von neuen technisch-wirtschaftlichen Entwicklungen besonders betroffen ist.
Alle biowissenschaftlichen Fragestellungen des Bildungsplanes ermöglichen einen zielgerichteten Einsatz digitaler Medien und Lernwerkzeuge bei der Unterrichtsgestaltung. Die Arbeit mit berufsbezogenen Experimenten sollen die Schülerinnen und Schüler dazu befähigen, Experimente zu planen, durchzuführen und deren Ergebnisse auszuwerten, zu dokumentieren, darzustellen und zu diskutieren. Digitale Medien können sowohl zur Erfassung von Daten, Aufbereitung und Darstellung von Versuchsergebnissen, als auch zur Erstellung von z. B. Animationen und Lernvideos für die Visualisierung biowissenschaftlicher Abläufe genutzt werden. Die Auswahl der Themengebiete und die inhaltliche Gestaltung der Bildungsplaneinheiten berücksichtigt naturwissenschaftliche Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler mit dem Ziel der beruflichen Qualifizierung.

2. Fachliche Aussagen zum Kompetenzerwerb, prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzorientierter Unterricht bietet die Möglichkeit, Wissen, Fähigkeiten und Fertigkeiten selbstständig und nachhaltig aufzubauen, zu reflektieren und in verschiedenen Situationen verantwortungsvoll einzusetzen.
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln im aktiven Umgang mit spezifischen Inhalten die Kompetenzen, die für die Biowissenschaften von zentraler Bedeutung sind. Erkenntnisse gewinnen, Kommunizieren und Bewerten sind hierbei die charakteristischen Fähigkeiten und Fertigkeiten. Naturwissenschaftlich fachkompetente Schülerinnen und Schüler verfügen über Sach‑, Erkenntnisgewinnungs‑, Kommunikations- und Bewertungskompetenz. Diese vier Kompetenzbereiche durchdringen einander und bilden gemeinsam die Fachkompetenz.
Die Sachkompetenz der Schülerinnen und Schüler zeigt sich in der Kenntnis naturwissenschaftlicher Konzepte, Theorien und Verfahren und der Fähigkeit, diese zu beschreiben und zu erklären sowie geeignet auszuwählen und zu nutzen, um Sachverhalte aus fach- und alltagsbezogenen Anwendungsbereichen zu verarbeiten.
Die Erkenntnisgewinnungskompetenz der Schülerinnen und Schüler zeigt sich in der Kenntnis von naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweisen und in der Fähigkeit, diese Fachkompetenz zu beschreiben, zu erklären und zu verknüpfen, um Erkenntnisprozesse nachvollziehen oder gestalten zu können und deren Möglichkeiten und Grenzen zu reflektieren.
Die Kommunikationskompetenz der Schülerinnen und Schüler zeigt sich in der Kenntnis von Fachsprache, fachtypischen Darstellungen und Argumentationsstrukturen und in der Fähigkeit, diese Fachkompetenz zu nutzen, um fachbezogene Informationen zu erschließen, adressaten- und situationsgerecht darzustellen und auszutauschen.
Die Bewertungskompetenz der Schülerinnen und Schüler zeigt sich in der Kenntnis von fachlichen und überfachlichen Perspektiven und Bewertungsverfahren und in der Fähigkeit, diese Fachkompetenz zu nutzen, um Aussagen bzw. Daten anhand verschiedener Kriterien zu beurteilen, sich dazu Meinungen zu bilden, Entscheidungen zu treffen und Entscheidungsprozesse und deren Folgen zu reflektieren.
Für nachhaltig gewinnbringendes Lernen ist es von großer Bedeutung, dass alle Kompetenzbereiche im Unterricht bewusst und ausgewogen gefördert werden. Die Kompetenzen entwickeln sich bei den Schülerinnen und Schülern über die Ausbildungsjahre hinweg und werden im Bildungsplan vielfältig inhaltsbezogen konkretisiert.
Der Vielfalt naturwissenschaftlicher Phänomene liegen in den Fächern „Biotechnologie“, „Mikrobiologie“ und „Biologie“ gemeinsame Prinzipien zugrunde, die sich als Basiskonzepte beschreiben lassen. Die Basiskonzepte für diese Fächer im Bildungsgang Technische Assistentinnen und Assistenten der Biotechnologie – Struktur und Funktion, Kompartimentierung, Stoff- und Energieumwandlung, Information und Kommunikation, Steuerung und Regelung und Reproduktion – ermöglichen die Vernetzung von Inhalten und deren Betrachtung aus verschiedenen Perspektiven. Damit erleichtern sie kumulatives Lernen, den Aufbau von strukturiertem Wissen und die Erschließung neuer Inhalte.
Da die Kompetenzen in allen sechs Bereichen nur an Fachinhalten erworben werden können, stellen die Basiskonzepte eine Grundlage für die Entwicklung der Fachkompetenz dar (vgl. Bildungsstandards im Fach Biologie für die Allgemeine Hochschulreife der KMK i. d. F. vom 18.06.2020).

3. Ergänzende fachliche Hinweise
Für den nachhaltigen Erwerb biowissenschaftlicher Fachkompetenzen werden die Sachinhalte mit lebensweltbezogenen Kontexten und aktuellen Methoden verknüpft. Bei der Behandlung verschiedener Inhalte sind die übergreifenden Basiskonzepte zu berücksichtigen. Hierdurch kann den Schülerinnen und Schülern die systematische Wissensaneignung erleichtert werden, die sich nicht vordergründig an den biowissenschaftlichen Inhalten, sondern an den wesentlichen Konzepten der Biowissenschaften und der späteren Herausforderungen des Berufsalltags orientiert. Des Weiteren erhalten die Schülerinnen und Schüler einen Überblick über die neuesten Erkenntnisse biologischer Zusammenhänge und deren biotechnischer Umsetzung. Die theoretischen Inhalte dieses Unterrichtsfaches wenden die Schülerinnen und Schüler in den fachpraktischen Fächern sowie dem praktischen Ausbildungsteil an. Durch die Verknüpfung von Theorie und praktischem Arbeiten wird die Fähigkeit zum eigenständigen Beurteilen technischer Laborprozesse und dem Erkennen von Fehlerquellen gefördert.
Im Fach „Biotechnologie“ erwerben die Schülerinnen und Schüler fachtheoretische Kenntnisse über Prozesse und Verfahren, die sie im fachpraktischen Bereich der Ausbildung anwenden. Die Vielfältigkeit der Ausbildungsinhalte orientiert sich an der gesamten Breite des Berufsbildes und fördert so die Fähigkeit der Schüler, sich in verschiedene Einsatzbereiche in Forschung und Produktion einzuarbeiten.
Die Schülerinnen und Schüler erlernen, molekularbiologische und gentechnische Grundlagen zu verstehen und experimentell anzuwenden. Ebenso werden ihnen die Grundlagen der Zellkultur- und Fermentiertechnik und deren Einsatz bei verschiedenen industriellen Produktionsverfahren vermittelt. Die Schülerinnen und Schüler erwerben erste Kompetenzen zur Bewertung der Eignung verschiedener Produktgewinnungsmethoden für biotechnologische Produkte. Ethische Fragestellungen werden in allen geeigneten Lehrplaneinheiten angesprochen.
Im „Biotechnologischen Praktikum“ werden die angehenden biotechnologischen Assistentinnen und Assistenten in die praktische Arbeit eingeführt. Durch Umgang mit modernsten Geräten und Mitarbeit an aktuellen Fragestellungen werden sie für ihre spätere berufliche Tätigkeit motiviert und qualifiziert. Das breite Methodenspektrum spiegelt die Anforderungen an die Schülerinnen und Schüler im späteren Berufsalltag wider. Das Praktikum setzt sich aus einem schulischen und einem mindestens vierwöchigem Industrie‑/Institutspraktikum zusammen. Der außerschulische Teil kann in den beiden Schuljahren unter Einbeziehung von Ferien geleistet werden.
Die Verknüpfung von schulischer und betrieblicher Ausbildung sowie die persönliche Betreuung der Schülerinnen und Schüler erfordern regelmäßige Kontakte der jeweiligen Fachlehrer mit dem Praktikumsbetrieb.
Die Mikrobiologie ist für Biotechnologische Assistentinnen und Assistenten in der beruflichen Praxis Basis für gentechnische Experimente und für die biotechnologische Produktion entscheidend. In mikrobiologisch-analytischen Labors stellt sie ein eigenständiges Tätigkeitsfeld dar.
Bei der Kultivierung von Mikroorganismen unter sterilen Bedingungen werden Prozess- und Qualitätskontrollen durchgeführt. Aktuelle Verfahren und Produktionsprozesse werden unter Einhaltung von Sicherheitsstandards erprobt. Gemeinsam mit dem Mikrobiologischen Praktikum werden grundlegende Handlungskompetenzen für berufstypische Arbeits- und Gefährdungssituationen vermittelt.
Schwerpunkt der Ausbildung ist die Nutzung der Unterschiede der Mikroorganismen in Struktur und Physiologie für entsprechende Methoden zur Isolierung, Identifizierung, mikrobiellen Stoffproduktion und zur Wachstumskontrolle in der biotechnologischen Produktion und dem Einsatz von Methoden der genetischen Modifizierung zur Optimierung von Organismen. Die Schülerinnen und Schüler werden für das Gefährdungspotenzial von Mikroorganismen für Personen und Produktionsprozesse sensibilisiert.
Im „Mikrobiologischen Praktikum“ erlernen die Schülerinnen und Schüler grundlegende mikrobiologische Arbeitstechniken, die heute in zahlreichen angewandten Bereichen der Biowissenschaften eingesetzt werden. Die Schülerinnen und Schüler werden zu einem verantwortungsbewussten Umgang mit Mikroorganismen erzogen. Anhand von Übungen mit nicht pathogenen Keimen erlernen sie die sachgerechte Durchführung mikrobiologischer Arbeitsmethoden. Die Arbeit an der Reinraumwerkbank vermittelt den Schülerinnen und Schülern ein vertieftes Verständnis für steriles Arbeiten und die Einhaltung von Sicherheitsstandards. In enger Verknüpfung mit dem Biotechnologischen Praktikum erlernen sie auch den Umgang mit der bakteriellen Erbsubstanz, die Aufarbeitung sowie die Darstellung der DNA.
Im Fach „Biologie“ wird unter Nutzung dieser Basiskonzepte das Verständnis vom Aufbau der Zellen und ihrer speziellen Leistungen in verschiedenen Organismen und Organsystemen, bis hin zur Anwendung molekularer Prozesse in aktuellen Forschungsbereichen und Technik sowie der Wechselwirkungen zwischen belebter und unbelebter Natur vertieft.
Im Fach „Biologisches Praktikum“ werden die Schülerinnen und Schüler in die mikroskopische Technik eingeführt und dazu befähigt, tierische und pflanzliche Objekte zu präparieren, lichtmikroskopisch zu untersuchen und zeichnerisch sowie fotografisch festzuhalten. Weiterhin erwerben die Schüler Kenntnisse in Mikrobiologie, molekularer Genetik, Gentechnik und Zellkulturtechnik.
Das Fach „Biotechnologie“ baut auf die Inhalte des Fachs „Mathematik I“ auf und setzt diese anwendungsbezogen um.

Hinweise zum Umgang mit dem Bildungsplan
Der Bildungsplan zeichnet sich durch eine Inhalts- und eine Kompetenzorientierung aus. In jeder Bildungsplaneinheit (BPE) werden in kursiver Schrift die übergeordneten Ziele beschrieben, die durch Zielformulierungen sowie in jeweils einer Inhalts- und Hinweisspalte konkretisiert werden. In den Zielformulierungen werden die jeweiligen fachspezifischen Operatoren als Verben verwendet. Operatoren sind handlungsinitiierende Verben, die signalisieren, welche Tätigkeiten beim Bearbeiten von Aufgaben erwartet werden; eine Operatorenliste ist jedem Bildungsplan im Anhang beigefügt. Durch die kompetenzorientierte Zielformulierung mittels dieser Operatoren wird das Anforderungsniveau bezüglich der Inhalte und der zu erwerbenden Kompetenzen definiert. Die formulierten Ziele und Inhalte sind verbindlich und damit prüfungsrelevant. Sie stellen die Regelanforderungen im jeweiligen Fach dar. Die Inhalte der Hinweisspalte sind unverbindliche Ergänzungen zur Inhaltsspalte und umfassen Beispiele, didaktische Hinweise und Querverweise auf andere Fächer bzw. BPE.
Der VIP-Bereich des Bildungsplans umfasst die Vertiefung, individualisiertes Lernen sowie Projektunterricht. Im Rahmen der hier zur Verfügung stehenden Stunden sollen die Schülerinnen und Schüler bestmöglich unterstützt und bei der Weiterentwicklung ihrer personalen und fachlichen Kompetenzen gefördert werden. Die Fachlehrerinnen und Fachlehrer nutzen diese Unterrichtszeit nach eigenen Schwerpunktsetzungen auf Basis der fächer- und bildungsgangspezifischen Besonderheiten sowie nach den Lernvoraussetzungen der einzelnen Schülerinnen und Schüler.
Der Teil „Zeit für Leistungsfeststellung“ des Bildungsplans berücksichtigt die Zeit, die zur Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung von Leistungsfeststellungen zur Verfügung steht. Dies kann auch die notwendige Zeit für die im Rahmen der Besonderen Lernleistungen erbrachten Leistungen, Nachbesprechung zu Leistungsfeststellungen sowie Feedback-Gespräche umfassen.

Bildungsplanübersicht

Schuljahr

Bildungsplaneinheiten

Zeitricht-wert

Gesamt-stunden

Schuljahr 1

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

1	Aufbau, Struktur und Funktion der Nukleinsäuren

2	Biologie der Aminosäuren und Proteine

3	Methoden der Gentechnik

4	Experimentelle Methoden der Molekularbiologie

105

Zeit für Leistungsfeststellung

120

Schuljahr 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

5	Grundlagen der Fermentation

6	Zellkulturtechnik

7	Biotechnologische Produktion

105

Zeit für Leistungsfeststellung

120

Schuljahr 1

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

Vertiefung	Individualisiertes Lernen	Projektunterricht
z. B. Übungen Anwendungen Wiederholungen	z. B. Selbstorganisiertes Lernen Lernvereinbarungen Binnendifferenzierung	z. B. In-silico-Design eines Expressionsvektors Erstellung eines Erklärvideos

Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung fächerverbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 1	Aufbau, Struktur und Funktion der Nukleinsäuren	25
Die Schülerinnen und Schüler erkennen anhand des Mechanismus der DNA-Replikation, dass der chemische Aufbau der DNA ein Beispiel für eine Struktur-Funktionsbeziehung darstellt. Sie verstehen, dass es das Prinzip der Komplementarität erlaubt, eine unbegrenzte Anzahl von Kopien dieses Moleküls herzustellen und auf diese Weise die Vererbung in Form der Weitergabe von Kopien der genetischen Information zu realisieren. Die Schülerinnen und Schüler vollziehen den Weg der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung nach.

BPE 1.1

Die Schülerinnen und Schüler leiten aus der Betrachtung historischer Experimente die transformierende Wirkung von DNA ab und stellen den naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinn dar.

Entdeckung der Nukleinsäuren
Transformationsexperimente von Griffith, Avery

F. Miescher
Hershey-Chase-Experiment

BPE 1.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den chemischen Aufbau in Strukturformelschreibweise, das Vorkommen und die Funktion von Nukleinsäuren in Pro- und Eukaryoten. Sie beschreiben strukturelle Unterschiede zwischen DNA und RNA. Die Schülerinnen und Schüler deuten Nukleinsäuresequenzen als informationstragende Strukturen.

Chemie der DNA-Bausteine
Desoxyribose bzw. Ribose Basen Mono‐, Di‐, Triphosphat N-glykosidische Bindung Phosphodiester- und Anhydrid-Bindung Nukleosid, Nukleotid
Kondensations- und Hydrolysereaktion
Nukleinsäuresequenz: Strangpolarität
DNA-Doppelstrang
Komplementarität
Wasserstoffbrücken	Chargaff-Regel
Antiparallelität	Schmelztemperaturen der DNA
De- und Renaturierung
Raumstruktur der DNA: Doppelhelix-Modell	J. Watson, F. Crick
Packungsebenen in Eukaryoten: Nucleosomen	Eu- und Heterochromatin
Bakterielle Genome
Chromosomen Plasmid-DNA: molekulare Struktur und Raumgestalt
Modifikation der DNA am Beispiel der Methylierung	CpG Islands, Histonmodifikationen vgl. BPE 2.1 Regulation der Genaktivität
RNA-Typen
Sekundärstrukturen mRNA rRNA als Strukturelemente der Ribosomen tRNA als Elemente der Proteinbiosynthese
miRNA als Elemente der Genregulation durch Translationshemmung und mRNA Abbau	Regulation der Genaktivität vgl. BPE 2.3

BPE 1.3

Die Schülerinnen und Schüler erklären auf der Basis des Doppelhelix-Modells den Mechanismus der DNA-Replikation und beurteilen die Ergebnisse des Meselson-Stahl-Experiments in Bezug auf den zellulären Replikationsmechanismus. Die Schülerinnen und Schüler erläutern den molekularen Mechanismus der DNA-Replikation bei Prokaryoten mit den beteiligten Molekülen.

Meselson-Stahl-Experiment
3 Hypothesen: semikonservativ, konservativ, dispersiv	Isotopenmarkierung, Dichtegradientenzentrifugation
Ablauf der Replikation	Syntheserichtung 5' nach 3'
Initiation Elongation Termination
Kontinuierliche und diskontinuierliche Synthese	DNA-Polymerase III und DNA-Polymerase I
Leitstrang Folgestrang Okazaki-Fragmente Ligation
Beteiligte Moleküle
Helicase, SSB-Proteine, RNA-Primer Primase DNA-abhängige DNA-Polymerasen RNaseH DNA-Ligase, dNTPs
Proof-reading bei Pro- und Eukaryoten

BPE 1.4

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und vergleichen den Ablauf der Genexpression bei Pro- und Eukaryoten und leiten daraus notwendige Funktionselemente pro- und eukaryotischer Gene ab. Sie skizzieren die Vorgänge der Transkription und Translation.

Struktur und Funktionselemente eines Gens
allgemein: transkribierter und codierender Bereich, UTRs, Promotor, Terminator	transkriptionsregulierende Elemente vgl. BPE 1.4
bei Eukaryoten: Exons und Introns, Capping‑, Polyadenylierungsstelle, Enhancer, Silencer, eukaryotischer Promotoraufbau	cDNA vgl. BPE 4.5
bei Prokaryoten: Ribosomenbindungsstelle, Operator, prokaryotischer Promotoraufbau
Transkription
DNA-abhängige RNA-Polymerase dNTPs codierender und codogener Strang mRNA Phasen: Initiation, Elongation, Termination
Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten	Bedeutung der Initiation für Genregulation, Unterschiede Replikation und Transkription, vgl. BPE 1.3
Posttranskriptionale Modifikation
Splicing von Introns	alternatives Splicing als Regulationsmöglichkeit
5‘-Capping 3‘-Polyadenylierung

BPE 2	Biologie der Aminosäuren und Proteine	15
Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass Proteine die Vielzahl ihrer Funktionen in Zellen und Organismen auf der Grundlage ihrer Strukturvielfalt ausüben können. Sie begreifen, dass strukturelle Vielfalt durch ein Baustein-Prinzip erzielt wird und dass nach dem Prinzip „Struktur und Funktion“ die spezifische, aber auch veränderbare Raumstruktur eines Proteins seine Funktion ermöglicht.

BPE 2.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau von Proteinen als Polymere und analysieren den grundlegenden chemischen Aufbau der proteinogenen Aminosäuren. Sie leiten aus den Strukturformeln der proteinogenen Aminosäuren Eigenschaften der Seitenketten und daraus resultierende Möglichkeiten der Gruppierung ab. Die Schülerinnen und Schüler erläutern den Aufbau von Proteinen aus Aminosäuremonomeren und ihre Raumstruktur mit ihrer Aminosäuresequenz und den daraus resultierenden chemischen Wechselwirkungen. Sie erläutern die chemische Struktur und die Funktion posttranslationaler Modifikationen von Aminosäureseitenketten. Die Schülerinnen und Schüler erklären Ursachen für die Denaturierung von Proteinen.

Proteinogene Aminosäuren
allgemeine Struktur (Fischerprojektion)
Einteilung der Seitenketten nach chemischen Eigenschaften (unpolar, polar, basisch, sauer)	Lewis-Schreibweise, Säure-Base-Reaktion vgl. „Chemie“ (BPE 7)
Ein- und Drei-Buchstabencode	Codes in der Formelsammlung
Allgemeine Strukturformel der Peptidbindung
Hydrolyse, Kondensation
Strukturebenen der Proteine:
Primärstruktur
Sekundärstruktur: \(\alpha\)-Helix, \(\beta\)-Faltblatt, Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken im Peptidrückgrat	Wasserstoffbrücken
Tertiärstruktur: Ausbildung von Wechselwirkungen und Disulfidbindungen zwischen den Seitenketten
Quartärstruktur	Hämoglobin
Definition und Ursachen von Denaturierung und Renaturierung	Konformationsänderung, Hitze, pH-Wert-Änderungen, Schwermetallionen
Posttranslationale Modifikationen von Aminosäuren	Histonmodifikationen, vgl. BPE 1.2
Phosphorylierung	Wachstumsfaktoren, Aktivierung von Transkriptionsfaktoren, Kinasen
N- und O-Glykosylierung	Faktor VIII, EPO
Proteolyse von Proproteinen und Transitpeptiden	Insulin

BPE 2.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Ablauf der Translation und nennen die beteiligten Moleküle.

Translation
Aufbau bakterieller und eukaryotischer Ribosomen	Codon-Tabelle
A-P-E-Modell genetischer Code
Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, Aminoacyl-tRNA, Codon, Anticodon, Peptidyl-Transferase
Phasen der Translation	Syntheserichtung N- nach C-terminal, vgl. BPE 1.2
Initiation Elongation
Termination	posttranslationale Modifikationen, vgl. BPE 2.1

BPE 2.3

Die Schülerinnen und Schüler leiten aus zweiphasigen Wachstumskurven von E. coli auf einem glukose- und laktosehaltigen Medium das Vorhandensein der Genregulation ab. Sie interpretieren die durch Laktose induzierte Synthese von Laktose abbauenden Enzymen bei Prokaryoten als eine Regulation zur Anpassung an veränderte Umweltbedingungen. Sie erläutern die zugrunde liegende Genregulation mit dem Operon-Modell.

Prinzip und Notwendigkeit der Genregulation
Diauxie	exogene Signale
Operon-Modell in Prokaryoten
Regulatorgene konstitutiver Promotor lac-Operon, Operator, Strukturgene, nur Substratinduktion, keine positive Regulation trp-Operon: Operator, Strukturgene, Endprodukthemmung, keine Attenuation

BPE 3	Methoden der Gentechnik	15
Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Handhabung, Analyse und gezielte molekulare Veränderungen von Nukleinsäuren. Sie erläutern die prinzipiellen Arbeitsschritte bei der Konstruktion von Vektoren zur Klonierung von DNA-Abschnitten und zur Expression in Prokaryoten und Eukaryoten. Sie begründen den prinzipiellen Bau von Vektoren für den Einsatz in verschiedenen Zielsystemen. Sie beschreiben Transformationstechniken zur Herstellung transgener Organismen und erläutern exemplarisch das prinzipielle Vorgehen für pflanzliche und tierische Zellen.

BPE 3.1

Die Schülerinnen und Schüler charakterisieren Funktionselemente eines Expressionsvektors und erläutern deren Bedeutung für eine heterologe Expression. Sie skizzieren die prinzipiellen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Expressionsvektors für die heterologe Expression eines Zielgens. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Nutzen des lac-Operons bei einer heterologen Expression und erklären dessen Verwendung.

Aufbau von Klonierungsvektoren am Beispiel von pUC18
Replikationsursprung Resistenzgen als Selektionsmarker Multiple Cloning Site (MCS)
Aufbau von Expressionsvektoren
prokaryotisch: E. coli am Beispiel von pGEX
eukaryotisch: Säugerzellen am Beispiel von pcDNA, Pflanzenzellen am Beispiel des Ti-Plasmids, S. cerevisiae am Beispiel 2\(\mu\)	pCAMBIA Yep51-Vektor
Vektorkonstruktion für prokaryotisches Zielsystem	vgl. BPE 3.2
beteiligte Enzyme (Restriktionsenzyme, Ligase, Alkalische Phosphatase)
Klonierung: Restriktion, Ligation Transformation	vgl. BPE 3.3
Expression: Ablauf und Funktionsweise des lac-Operons, Substratinduktion
lacI – Regulatorgen
Elemente des lac-Operons, insbesondere lacZ	vgl. BPE 3.2
Einsatz von IPTG als Struktur-Analogon von Lactose und X-Gal als chromogenes Substrat, Blau-Weiß-Selektion	vgl. BPE 3.3

BPE 3.2

Die Schülerinnen und Schüler stellen die spezifische Endonuklease-Aktivität von Restriktionsenzymen dar. Sie erläutern deren natürliche Bedeutung und die Bedeutung für Klonierungen. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Vorgang der Ligation. Sie stellen das CRISPR/Cas9-System als molekularbiologische Methode zum gezielten Schneiden und Verändern von DNA dar.

Biologische Bedeutung und Funktionsweise von Restriktionsenzymen	Typ II R.E.
natürliche Bedeutung der Restriktionsenzyme/Ursprung
palindromische Erkennungssequenzen	TA-Klonierung
Fragmentenden: glatte und überhängende Enden Funktion bei Klonierungen
Aufbau und Funktion des CRISPR/Cas9-Systems
Repeat-Fragmente Spacer Promotor Cas (CRISPR-assoziierte Gene) guide-RNA

BPE 3.3

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und vergleichen Methoden des Gentransfers hinsichtlich der Prinzipien und Anwendungsgebiete und erläutern Selektionsmarker als Möglichkeit zur Kontrolle des Gentransfers.

Methoden des Gentransfers
Hitzeschock (CaCl2) bei E. coli
Elektroporation bei E. coli	Hefen, Säugetierzellen
Liposomen bei Säugetierzellen	mRNA-Impfung
Mikroinjektion bei Eizellen
Partikelkanone bei Pflanzenzellen	Protoplasten
Ti-Plasmid bei Pflanzenzellen
Antibiotika-Selektion	vgl. „Mikrobiologie“ (BPE 8.4)
Antibiotika-Resistenzgene als Selektionsmarker	Ampicillin, Neomycin, Kanamycin
Blau-Weiß-Selektion
Aufbau des Klonierungsvektors mit Blau-Weiß-Selektion (lacZ-Gensequenz) X-Gal als spaltbares chromogenes Substrat für die \(\beta\)-Galactosidase

BPE 4	Experimentelle Methoden der Molekularbiologie	20
Die Schülerinnen und Schüler erläutern experimentelle Methoden der molekularbiologischen Analyse von Nukleinsäuren und Proteinen auf molekularem Niveau und beurteilen die Aussagekraft von Analyse-Ergebnissen. Sie erläutern die Methoden zur gezielten Vervielfältigung von DNA-Abschnitten und beschreiben die Anwendungsmöglichkeiten der Polymerase-Kettenreaktion. Die Schülerinnen und Schüler stellen das Prinzip der Sequenzierung von DNA dar und leiten daraus Anwendungsmöglichkeiten in der Diagnostik ab. Am Beispiel von Diagnoseverfahren lernen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Methoden der Molekulargenetik kennen. Sie sind in der Lage, die exemplarisch gewonnenen Erkenntnisse auf weitere Anwendungen zu übertragen und dargestellte Analyse- bzw. Diagnoseergebnisse auszuwerten.

BPE 4.1

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Prinzipien der Auftrennung und Detektion von Nukleinsäuren und Proteinen nach Molekulargewicht durch Agarose-Gelelektrophorese und SDS-PAGE. Sie erläutern die Denaturierung von Proteinen durch SDS und 2-Sulfanylethanol vor der Elektrophorese auf molekularer Ebene.

Agarose-Gelelektrophorese zur Auftrennung von Nukleinsäuren nach Molekulargewicht	vgl. „Biotechnologisches Praktikum“ (BPE 2.2)
Größenbestimmung durch einen Molekülmassestandard
Diskontinuierliche SDS-PAGE zur Auftrennung von Proteinen nach Molekulargewicht	vgl. „Biotechnologisches Praktikum“ (BPE 3.2)
Denaturierung durch SDS und 2-Sulfanylethanol (\(\beta\)-Mercaptoethanol) Größenbestimmung durch einen Molekülmassestandard

BPE 4.2

Die Schülerinnen und Schüler erläutern das Prinzip der immunologischen Identifikation von Proteinen in Proteingemischen durch Antikörper. Sie erläutern prinzipielle Schritte der Methoden Western-Blot und Sandwich-ELISA. Sie erläutern die Detektion der Antigene durch an Antikörper gekoppelte Nachweissysteme.

Antikörper als molekularbiologisches Werkzeug	vgl. „Biologie“ (BPE 4)
Epitop und Paratop Bindung an Antigen Unterscheidung primäre und sekundäre Antikörper
Western-Blot
prinzipieller Ablauf: Übertragung der Proteine auf Membran, Blockierung unspezifischer Bindungsstellen, Bindung des Antigens durch primären Antikörper, Waschschritte, Bindung des sekundären Antikörpers, Waschschritte	keine konkrete Angabe zur Anzahl von Waschschritten
Sandwich-ELISA
prinzipieller Ablauf: Kopplung des Primär-Antikörpers an stationäre Phase, Waschschritte, Blockierung unspezifischer Bindungsstellen, Bindung des Antigens an primären Antikörper, Waschschritte, Bindung des sekundären Antikörpers an Antigen, Waschschritte	keine konkrete Angabe zur Anzahl von Waschschritten
Immundetektion
Detektion von Licht durch Spaltung von Luminol durch ein an den Sekundär-Antikörper gekoppeltes Enzym (HRP)	vgl. Detektion durch Spaltung von NBT/BCIP
direkte Detektion durch fluoreszenzfarbstoff-gekoppelte Sekundär-Antikörper

BPE 4.3

Die Schülerinnen und Schüler leiten aus dem Mechanismus der zellulären DNA-Replikation die erforderlichen Komponenten und Abläufe für eine In-vitro-DNA-Amplifikation ab. Sie beschreiben den Ablauf von Standard- und qPCR Verfahren und berechnen erforderliche Größen zur Erstellung eines Pipettierschemas für PCR-Ansätze. Sie erläutern Detektions- und Analyseprinzipien und werten Ergebnisse aus.

Bestandteile eines PCR-Ansatzes
Template-DNA Primer-Paar Taq-DNA-Polymerase Reaktionspuﬀer mit dNTPs und Mg²⁺
Berechnung von und mit Verdünnungen sowie Umrechnen von Konzentrationsangaben und Einheiten	1:50 Verdünnungen nmol in mmol; mL in μL vgl. BPE 5.2, vgl. „Mathematik I“ (BPE 1)
Prinzipielle Phasen eines PCR-Zyklus
Denaturierung Annealing Elongation Temperatur-Zeit-Profil
qPCR Verfahren
hochspezifische, DNA-interkalierende Fluoreszenzfarbstoffe
fluoreszenzmarkierte Hydrolyse-Sonden	nach Livak, Flood, Marmaro, Giusti, Deetz und Tyagi, Kramer
DNA-Quantifizierung mittels qPCR
Definition des C_T-Wert (Threshold cycle)
absolute Quantifizierung der Zielsequenz mithilfe einer Standardkurve	relative Quantifizierung mithilfe eines Referenzgens (internes Kontrollgen wie ß-Actin, GAPDH)
exponentielle Zunahme der Fluoreszenz	vgl. „Mathematik“ (BPE 3 und 4.2)

BPE 4.4

Die Schülerinnen und Schüler erläutern Kriterien des Primerdesigns.

Anforderungen an einen Primer
Spezifität Länge Vermeidung von Sekundärstrukturen Vermeidung von Dimeren Annealing-Temperatur
Berechnung der Schmelztemperatur T_m
Wallace-Regel (4+2-Regel)

BPE 4.5

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Herstellung von cDNA und erläutern deren Anwendungen.

Herstellung von cDNA
Intron-Exon-Struktur vgl. BPE 1.4 Prinzip der reversen Transkription: RNA-abhängige DNA-Polymerase, Erststrangsynthese mit Primer, Abbau der RNA über RNase H
Anwendungen von cDNA
Klonierung in einen Expressionsvektor zur heterologen Expression	vgl. BPE 3.1
quantitative Messung der Genexpression	qPCR vgl. BPE 4.3
Herstellung von cDNA-Banken

BPE 4.6

Die Schülerinnen und Schüler erklären das zugrunde liegende Kettenabbruch-Prinzip und werten Ergebnisse von Sequenzanalysen aus. Sie berechnen erforderliche Größen zur Erstellung eines Pipettierschemas für Sequenzieransätze. Sie beschreiben das grundsätzliche Prinzip von Hochdurchsatz-Sequenzierungen.

Prinzip der Sanger-Sequenzierung, Kettenabbruchverfahren
Bestandteile des Sequenzieransatzes	vgl. BPE 4.3
Template-DNA Primer DNA-Polymerase dNTPs fluoreszenz-markierte ddNTPs Puﬀer
Erstellung eines Pipettierschemas
Detektionsmethoden
fluoreszenzbasierte Detektion
Auswertung von Elektropherogrammen	Kapillarelektrophorese
Zweite Generation der Sequenzierung
grundsätzliches Prinzip einer Hochdurchsatz-Sequenzierung: Aufteilung der Probe auf Einzelreaktion mit je einem Template, parallele Sequenzierung dieser Einzelreaktionen	Pyrosequenzierung, Halbleitersequenzierung
Einsatzgebiete

BPE 4.7

Die Schülerinnen und Schüler nennen diagnostische Anwendungsmöglichkeiten von PCR-Verfahren, erläutern das jeweilige Prinzip und werten Ergebnisse aus.

Identifizierung eines GVO: BT-Toxin, BT-Pflanzen
Identifizierung von Krankheitserregern: SARS-CoV2
Identifizierung von Tumormarkern: BRCA1/BRCA2	ethische Aspekte präventiver Operationen
Identifizierung von Erbkrankheiten: Chorea Huntington	ethische Aspekte

Schuljahr 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

Vertiefung	Individualisiertes Lernen	Projektunterricht
z. B. Übungen Anwendungen Wiederholungen	z. B. Selbstorganisiertes Lernen Lernvereinbarungen Binnendifferenzierung	z. B. Besichtigung einer Brauerei (fächerübergreifend) oder einer biotechnologischen Produktionsstätte

Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung fächerverbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 5	Grundlagen der Fermentation	15
Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Durchführung der Fermentation verschiedener Mikroorganismen sowie Zellarten und diskutieren die Einflüsse von physikalischen und chemischen Bedingungen auf den Verlauf der Fermentation. Sie begründen die Wahl von Betriebsweisen von Bioreaktoren und berechnen Wachstumsraten anhand von vorgegebenen Daten.

BPE 5.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die prinzipiellen Funktionsweisen von Bioreaktoren. Sie benennen die Bestandteile eines Rührkesselbioreaktors und vergleichen die Vor- und Nachteile der verschiedenen Bioreaktortypen.

Funktionsprinzipien der Bioreaktortypen
Festbettreaktor	Fließbettreaktor
Rührkesselbioreaktor Schlaufenbioreaktor
Bestandteile eines Rührkesselbioreaktors
Reaktionsraum, Regelung Rührwerk: Durchmischung Zulaufsysteme: Nährstoffe, Korrekturmittel pO₂-Sonde, Belüftungssystem: Luft-Zufuhr, Durchmischung, Regelung Schaumsonde, Antischaummittelvorlage Temperatursonde, Heiz- und Kühlvorrichtung Abluftrohr, ‑kühler, ‑filter pH-Sonde, Korrekturmittelvorlage mit Säure- bzw. Base-Pumpe Probenentnahmesystem
Vergleichskriterien der Bioreaktortypen
Scherkräfte, Gasblasengröße, Durchmischung, suspendierte oder fixierte Biokatalysatoren	vgl. BPE 7.3
Eignung bei verschiedenen Zelltypen: E. coli, Hefezellen, Zellkulturzellen

BPE 5.2

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Fermentationsparameter in Abhängigkeit des Bioreaktortyps. Sie charakterisieren Nährmedien anhand ihrer Zusammensetzung und berechnen erforderliche Größen zur Medienherstellung. Sie beschreiben pH-Puffersysteme.

Fermentationsparameter
Durchmischung: mechanisch, hydropneumatisch Begasen: Rührerdrehzahl, Einblassystem Temperieren: konstante Temperatur durch Vorheizen bzw. Ableiten der Prozesswärme
Fermentationsdauer	Ökonomie, Reproduzierbarkeit
Schaumbildung: Ursachen, Abhilfe
Nährmedienparameter
Medienzusammensetzung: definierte bzw. komplexe C- und N-Quellen
pH-Wert und Pufferung am Beispiel der Carbonat- und Phosphat-Puffersysteme	vgl. „Chemie“ (BPE 8.2)
Berechnungen von und mit	vgl. „Mathematik I“ (BPE 1)
Massenkonzentration
Volumenkonzentration: \(\sigma=\frac {V_{G}}{V_{L}}\)
Stoffmengenkonzentration
Verdünnungsfaktor
Verdünnungen: \(c_{Anfang}\cdot V_{Anfang} = c_{Ende}\cdot V_{Ende}\)
Molare Masse
Molares Volumen unter Standardbedingungen
Dichte
Volumenanteil
Massenanteil

BPE 5.3

Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden die möglichen Betriebsarten der Fermentation. Sie vergleichen die Vor- und Nachteile der einzelnen Betriebsarten.

Prinzip der Betriebsarten einer Fermentation
Batch/Fed-Batch kontinuierlicher Betrieb
Vor- und Nachteile der Betriebsarten
Regelaufwand Kontaminationsgefahr Produktionsorganismus, Mutationsrate
Menge und Zeitpunkt der Produktbildung	vgl. BPE 7.2

BPE 5.4

Die Schülerinnen und Schüler zeichnen und werten grafische Darstellungen mit nichtlinearen Skalierungen, Exponential- und Logarithmusfunktionen der Parameterverläufe von biotechnologischen Produktionsprozessen aus. Sie leiten die Betriebsart ab und berechnen die Wachstumsrate.

Parameterverläufe	vgl. BPE 5.3
Biomasse, Zellzahl, OD₆₀₀	xy-Diagramme, vgl. „Mathematik I“ (BPE 4)
Konzentration der Nährmedienbestandteile Konzentration der Produkte und Nebenprodukte pH-Wert, pO₂
Zeitverlaufsdiagramme	vgl. „Mathematik I“ (BPE 1)
Berechnung von Wachstumsraten \(\mu\) \(\mu = \frac{ln2}{t_{d}}\) Generationszeit g = t_D	vgl. „Mikrobiologie“ (BPE 4.4)

BPE 6	Zellkulturtechnik	20
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Verwendung von Proteinen als therapeutische und diagnostische Proteine und begründen den Einsatz von tierischen Zellkulturen zur Produktion. Sie erläutern die Bedingungen und Voraussetzungen zur Kultivierung von tierischen Zellen. Die Schülerinnen und Schüler erläutern die prinzipiellen Schritte zur Herstellung von Zelllinien am Beispiel von Hybridom-Zelllinien.

BPE 6.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Anwendung von diagnostischen und therapeutischen Proteinen anhand ausgewählter Beispiele auf molekularer und physiologischer Ebene. Sie begründen die Verwendung von tierischen Zellkulturen zur Produktion der Proteine.

Monoklonale Antikörper
Unterscheidung von monoklonalen und polyklonalen Antikörpern im Hinblick auf Paratope und Epitope	vgl. BPE 4.2 Selektivität und Spezifität
posttranslationale Modifikationen: Disulfidbrückenbindungen und komplexe Glykosylierung im F_c-Teil
Erythropoetin (EPO)
posttranslationale Modifikationen: N- und O-Glykosylierung, Disulfid-brückenbindungen, Proteolysen therapeutische Verwendung
Faktor VIII
posttranslationale Modifikationen: N- und O-Glykosylierung, Disulfid-brückenbindungen, Proteolysen therapeutische Verwendung

BPE 6.2

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Kulturbedingungen zur Kultivierung tierischer Zellen.

Unterschiede in Wachstum und Kulturbedingungen von Suspensionszellen und adhärenten Zellen
Kontaktinhibition bei adhärenten Zellen	mehrschichtiger Zellverbund
Kulturbedingungen
Zusammensetzung von Zellkulturmedien am Beispiel von DMEM
pH-Regulation: Kohlensäure-Bicarbonat-Puffersystem	vgl. „Chemie“ (BPE 8.2)
pH-Überwachung durch Indikatoren	Phenolrot
Supplementierung: Seren, Aminosäuren, Natrium-Pyruvat

BPE 6.3

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Sterilitätsanforderungen bei der Kultivierung von Zellkulturen.

Kontaminationsquellen
unsachgemäße Arbeitstechniken
Übergänge vom unsterilen in den sterilen Bereich	Verschlusskappen von Zellkulturgefäßen
Medien und Medienzusätze	serum-haltig und serum-frei
Maßnahmen zur Kontaminationsvermeidung
Sicherheitswerkbank Antibiotikazusatz Einweg-Kulturgefäße Desinfektion
Kontaminationskontrolle am Beispiel von Mycoplasmenkontaminationen
Färbung des Mycoplasmengenoms Nachweis durch PCR

BPE 6.4

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die prinzipiellen Schritte zur Herstellung von Hybridom-Zelllinien zur Produktion monoklonaler Antikörper.

Herstellung von Hybridom-Zelllinien
Immunisierung eines Versuchstiers Gewinnung von B-Lymphocyten Kultivierung von Myelomzellen Fusion von B-Lymphocyten und Myelomzellen Selektion von Hybridomzellen durch HAT-Medium (Hypoxanthin, Aminopterin, Thymidin) Gewinnung von Zellklonen durch Verdünnung Screening nach antikörpersezernierenden Zellklonen Kontrolle der Affinität und Spezifität der sezernierten Antikörper

BPE 7	Biotechnologische Produktion	40
Die Schülerinnen und Schüler leiten, entsprechend den vorgegebenen Prozesszielen und Bedürfnissen der Mikroorganismen, den Bioreaktortyp, das Nährmedium, die einzustellenden Parameter und die Prozessführung ab. Sie erläutern die Funktionsprinzipien der Einzelschritte bei der Aufarbeitung von Rohprodukten und beurteilen die Eignung einzelner Methoden. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Zusammenhang zwischen der Produktreinheit und dem Anwendungszweck für praxisrelevante Beispiele und erläutern Methoden zur Bestimmung des Reinheitsgrads und der Produktstabilität von Protein-Aufarbeitungen. Aus den Produkteigenschaften leiten die Schülerinnen und Schüler geeignete Verfahren zur Produktgewinnung, Produktreinigung und Reinheits- bzw. Aktivitätskontrolle ab.

BPE 7.1

Die Schülerinnen und Schüler nennen die prinzipiellen Schritte der biotechnologischen Produktion.

Upstream-Prozess
Stammkultur
Impfgutanzucht; Inokulation	Upscaling
Kontrolle der Produktbildung
Hauptfermentation im Bioreaktor	vgl. BPE 5
Downstream-Prozess	vgl. BPE 7.5
Produkt‑, Zellabtrennung; Zellaufschluss	intrazelluläres bzw. extrazelluläres Produkt
Produktreinigung
Qualitätskontrolle	Reinheit und Aktivität

BPE 7.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben repräsentative, zellbasierte biotechnologische Produktionen.

Produktionsziele
Biomasseproduktion	Saccharomyces cerevisiae
Definition primärer und sekundärer Stoffwechselprodukte
Fermentationsprodukte
Biomasse
Ethanol	vgl. „Mikrobiologie“ (BPE 10.2)
Acetat (kontinuierlicher Festbettreaktor) Penicillin G und halbsynthetische Penicilline technische Enzyme am Beispiel von Proteasen und Amylasen
therapeutische Proteine am Beispiel Insulin (Herstellung in E. coli und Hefen)	vgl. BPE 6.1 Inclusion Bodies

BPE 7.3

Die Schülerinnen und Schüler erläutern am Beispiel von mRNA die zellfreie Produktion und beschreiben Möglichkeiten der Immobilisierung von Biokatalysatoren.

Produktion in zellfreien Systemen
mRNA-Produktion	In-vitro-Transkription zur Produktion von mRNA-Impfstoffen
Immobilisierung von pro- und eukaryotischen Zellen bzw. Enzymen im fixierten Bioreaktor	vgl. BPE 5.1
Adsorption, kovalente Bindung, Vernetzung, Polymer-Einschluss
Vorteile der Immobilisierung
Biokatalysatorstabilität
Katalysator-Wiedergewinnung	kontinuierliche Prozessführung

BPE 7.4

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Regiospezifität von Biokatalysatoren anhand von zwei repräsentativen Biotransformationen.

Regiospezifität von Enzymen	Stereospezifität
Steroide: mikrobielle Hydroxylierung von 11-Desoxycortisol zu Hydrocortison Vitamin C: Oxidation von D-Sorbit zu L-Sorbose

BPE 7.5

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Downstream-Prozess sowohl eines extra- als auch eines intrazellulären Produkts und erläutern die Vorteile eines extrazellulären Produkts.

Zellabtrennung
Filtration Zentrifugation
Zellaufschluss bei intrazellulärem Produkt
physikalisch: Kugelmühle, Hochdruck-Homogenisator	Ultraschall
chemisch: Detergentien
biochemisch: Enzyme zur Zelllyse	Lysozym
Produktanreicherung
Präzipitation, Ammoniumsulfat-Fällung Filtration, Ultrafiltration

BPE 7.6

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das Prinzip der Chromatografie, erläutern verschiedene Trennverfahren und interpretieren Chromatogramme.

Stationäre Phase, mobile Phase
Trennverfahren nach Größe, Form, Masse, Ladung, Polarität, Affinität
Säulenchromatografie
prinzipielle Schritte: Equilibrierung, Probenauftrag, Waschen, Elution, Regeneration Ionenaustausch-Chromatografie Affinitäts-Chromatografie am Beispiel von GST Größenausschluss-Chromatografie
Retention, Retentionszeiten, Detektorsignal, Peak
Bestimmung der Menge mithilfe eines Standards durch Berechnung der Peak-Fläche

BPE 7.7

Die Schülerinnen und Schüler nennen allgemeine Kriterien der Aufarbeitung von Bioprodukten und beschreiben den Zusammenhang zwischen der Produktreinheit und dem Anwendungszweck für praxisrelevante Bioproduktbeispiele.

Erhalt der biologischen Aktivität, Anforderung an Reinheit und Wirtschaftlichkeit
Reinheitsgrade von Produkten
Proteasen für technische Anwendung > 99,9 % Alkoholdehydrogenase: für analytische Anwendung > 90 % EPO: für therapeutische Anwendung > 99,9 %

BPE 7.8

Die Schülerinnen und Schüler erläutern eine Methode zur Bestimmung der Reinheit und der Stabilität von Protein-Produkten.

Produktreinheit
SDS-Page Identifizierung mittels Western-Blot
Produktstabilität
Vergleich der spezifischen Aktivität von Enzympräparationen gleicher Reinheit

Operatorenliste

In den Zielformulierungen der Bildungsplaneinheiten werden Operatoren (= handlungsleitende Verben) verwendet. Diese Zielformulierungen legen fest, welche Anforderungen die Schülerinnen und Schüler in der Regel erfüllen. Zusammen mit der Zuordnung zu einem der drei Anforderungsbereiche (AFB; I: Reproduktion, II: Reorganisation, III: Transfer/Bewertung) dienen Operatoren einer Präzisierung der Zielformulierungen. Dies sichert das Erreichen des vorgesehenen Niveaus und die angemessene Interpretation der Standards.

Anforderungsbereiche:
Anforderungsbereich I umfasst die Reproduktion und die Anwendung einfacher Sachverhalte und Fachmethoden, das Darstellen von Sachverhalten in vorgegebener Form sowie die Darstellung einfacher Bezüge.
Anforderungsbereich II umfasst die Reorganisation und das Übertragen komplexerer Sachverhalte und Fachmethoden, die situationsgerechte Anwendung von technischen Kommunikationsformen, die Wiedergabe von Bewertungsansätzen sowie das Herstellen von Bezügen, um technische Problemstellungen entsprechend den allgemeinen Regeln der Technik zu lösen.
Anforderungsbereich III umfasst das problembezogene Anwenden und Übertragen komplexer Sachverhalte und Fachmethoden, die situationsgerechte Auswahl von Kommunikationsformen, das Herstellen von Bezügen und das Bewerten von Sachverhalten.

Operator	Erläuterung	Zuordnung Anforderungsbereiche
ableiten	auf der Grundlage relevanter Merkmale sachgerechte Schlüsse ziehen	II
abschätzen	auf der Grundlage von begründeten Überlegungen Größenordnungen angeben	II
analysieren, untersuchen	für eine gegebene Problem- oder Fragestellung systematisch bzw. kriteriengeleitet wichtige Bestandteile, Merkmale oder Eigenschaften eines Sachverhaltes oder eines Objektes erschließen und deren Beziehungen zueinander darstellen	II
anwenden, übertragen	einen bekannten Zusammenhang oder eine bekannte Methode zur Lösungsfindung bzw. Zielerreichung auf einen anderen, ggf. unbekannten Sachverhalt beziehen	II, III
aufbauen	Objekte und Geräte zielgerichtet anordnen und kombinieren	II
aufstellen	fachspezifische Formeln, Gleichungen, Gleichungssysteme, Reaktionsgleichungen oder Reaktionsmechanismen entwickeln	II
auswerten	Informationen (Daten, Einzelergebnisse o. a.) erfassen, in einen Zusammenhang stellen und daraus zielgerichtete Schlussfolgerungen ziehen	II, III
begründen	Sachverhalte oder Aussagen auf Regeln, Gesetzmäßigkeiten bzw. kausale Zusammenhänge oder weitere nachvollziehbare Argumente zurückführen	II
benennen, nennen, angeben	Elemente, Sachverhalte, Begriffe, Daten oder Fakten ohne Erläuterung und Wertung aufzählen	I
beraten	eine Entscheidungsfindung fachkompetent und zielgruppengerecht unterstützen	III
berechnen	Ergebnisse aus gegebenen Werten/Daten durch Rechenoperationen oder grafische Lösungsmethoden gewinnen	II
beschreiben	Strukturen, Situationen, Zusammenhänge, Prozesse und Eigenschaften genau, sachlich, strukturiert und fachsprachlich richtig mit eigenen Worten darstellen, dabei wird auf Erklärungen oder Wertungen verzichtet	I, II
bestimmen	Sachverhalte und Inhalte prägnant und kriteriengeleitet darstellen	I
bestätigen, beweisen, nachweisen, überprüfen, prüfen	die Gültigkeit, Schlüssigkeit und Berechtigung einer Aussage (z. B. Hypothese, Modell oder Naturgesetz) durch ein Experiment, eine logische Herleitung oder sachliche Argumentation belegen bzw. widerlegen	III
beurteilen, Stellung nehmen	zu einem Sachverhalt oder einer Aussage eine eigene, auf Fachwissen sowie fachlichen Methoden und Maßstäben begründete Position über deren Sinnhaftigkeit vertreten	III
bewerten, kritisch Stellung nehmen	zu einem Sachverhalt oder einer Aussage eine eigene, auf gesellschaftlich oder persönliche Wertvorstellungen begründete Position über deren Annehmbarkeit vertreten	III
charakterisieren	spezifischen Eigenheiten von Sachverhalten, Objekten, Vorgängen, Personen o. a. unter leitenden Gesichtspunkten herausarbeiten und darstellen	II
darstellen, darlegen	Sachverhalte, Strukturen, Zusammenhänge, Methoden oder Ergebnisse etc. unter einer bestimmten Fragestellung in geeigneten Kommunikationsformaten strukturiert und ggf. fachsprachlich wiedergeben	I, II
diskutieren, erörtern	Pro- und Kontra-Argumente zu einer Aussage bzw. Behauptung einander gegenüberstellen und abwägen	III
dokumentieren	Entscheidende Erklärungen, Herleitungen und Skizzen zu einem Sachverhalt bzw. Vorgang angeben und systematisch ordnen	I, II
durchführen	eine vorgegebene oder eigene Anleitung bzw. Anweisung umsetzen	I, II
einordnen, ordnen, zuordnen, kategorisieren, strukturieren	Begriffe, Gegenstände usw. auf der Grundlage bestimmter Merkmale systematisch einteilen; so wird deutlich, dass Zusammenhänge unter vorgegebenen oder selbst gewählten Gesichtspunkten begründet hergestellt werden	II
empfehlen	Produkte und Verhaltensweisen kunden- und situationsgerecht vorschlagen	II
entwickeln, entwerfen, gestalten	Wissen und Methoden zielgerichtet und ggf. kreativ miteinander verknüpfen, um eine eigenständige Antwort auf eine Annahme oder eine Lösung für eine Problemstellung zu erarbeiten oder weiterzuentwickeln	III
erklären	Strukturen, Prozesse oder Zusammenhänge eines Sachverhalts nachvollziehbar, verständlich und fachlich begründet zum Ausdruck bringen	I, II
erläutern	Wesentliches eines Sachverhalts, Gegenstands, Vorgangs etc. mithilfe von anschaulichen Beispielen oder durch zusätzliche Informationen verdeutlichen	II
ermitteln	einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren	I, II
erschließen	geforderte Informationen herausarbeiten oder Sachverhalte herleiten, die nicht explizit in dem zugrunde liegenden Material genannt werden	II
formulieren	Gefordertes knapp und präzise zum Ausdruck bringen	I
herstellen	nach anerkannten Regeln Zubereitungen aus Stoffen gewinnen, anfertigen, zubereiten, be- oder verarbeiten, umfüllen, abfüllen, abpacken und kennzeichnen	II, III
implementieren	Strukturen und/oder Prozesse mit Blick auf gegebene Rahmenbedingungen, Zielanforderungen sowie etwaige Regeln in einem System umsetzen	II, III
informieren	fachliche Informationen zielgruppengerecht aufbereiten und strukturieren	II
interpretieren, deuten	auf der Grundlage einer beschreibenden Analyse Erklärungsmöglichkeiten für Zusammenhänge und Wirkungsweisen mit Blick auf ein schlüssiges Gesamtverständnis aufzeigen	III
kennzeichnen	Markierungen, Symbole, Zeichen oder Etiketten anbringen, die geltenden Konventionen und/oder gesetzlichen Vorschriften entsprechen	II
optimieren	einen gegebenen technischen Sachverhalt, einen Quellcode oder eine gegebene technische Einrichtung so verändern, dass die geforderten Kriterien unter einem bestimmten Aspekt erfüllt werden	II, III
planen	die Schritte eines Arbeitsprozesses antizipieren und eine nachvollziehbare ergebnisorientierte Anordnung der Schritte vornehmen	III
präsentieren	Sachverhalte strukturiert, mediengestützt und adressatengerecht vortragen	II
skizzieren	Sachverhalte, Objekte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentliche reduzieren und übersichtlich darstellen	I
übersetzen	einen Sachverhalt oder einzelne Wörter und Phrasen wortgetreu in einer anderen Sprache wiedergeben	II
validieren, testen	Erbringung eines dokumentierten Nachweises, dass ein bestimmter Prozess oder ein System kontinuierlich eine Funktionalität/Produkt erzeugt, das die zuvor definierten Spezifikationen und Qualitätsmerkmale erfüllt	I
verallgemeinern	aus einer Einsicht eine Aussage formulieren, die für verschiedene Anwendungsbereiche Gültigkeit besitzt	II
verdrahten	Betriebsmittel nach einem vorgegebenen Anschluss‑/ Stromlaufplan systematisch elektrisch miteinander verbinden	I, II
vergleichen, gegenüberstellen, unterscheiden	nach vorgegebenen oder selbst gewählten Gesichtspunkten problembezogen Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermitteln und gegenüberstellen sowie auf dieser Grundlage ggf. ein gewichtetes Ergebnis formulieren	II
wiedergeben	wesentliche Information und/oder deren Zusammenhänge strukturiert zusammenfassen	I
zeichnen	einen beobachtbaren oder gegebenen Sachverhalt mit grafischen Mitteln und ggf. unter Einhaltung von fachlichen Konventionen (z. B. Symbole, Perspektiven etc.) darstellen	I, II
zeigen, aufzeigen	Sachverhalte, Prozesse o. a. sachlich beschreiben und erläutern	I, II
zusammenfassen	das Wesentliche sachbezogen, konzentriert sowie inhaltlich und sprachlich strukturiert mit eigenen Worten wiedergeben	I, II

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