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Biotechnologisches Praktikum

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 verschiedenster 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 soll 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 hier charakteristische 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 geeignete 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 Assistenten und Assistentinnen 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 Berufsbilds 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 sechswöchigem 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.
Schwerpunkte der Ausbildung sind die Nutzung der Unterschiede der Mikroorganismen in Struktur und Physiologie für entsprechende Methoden zur Isolierung, Identifizierung, mikrobiellen Stoffproduktion und Wachstumskontrolle in der biotechnologischen Produktion und der 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 ihren speziellen Leistungen in verschiedenen Organismen und Organsystemen, bis hin zur Anwendung molekularer Prozesse in aktuellen Forschungsbereichen und Techniken 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 „Biotechnologisches Praktikum“ 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	Herstellung gentechnisch veränderter Organismen (GVO)

2	Molekularbiologische Methoden zur Reinigung, Analyse und Modifikation von Nukleinsäuren

3	Proteinanalytik

175

Zeit für Leistungsfeststellung

200

Schuljahr 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

4	Ausbildungsbezogenes externes Praktikum

240

5	Biotechnologische Produktion von Proteinen

345

Zeit für Leistungsfeststellung

360

Schuljahr 1

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

Vertiefung	Individualisiertes Lernen	Projektunterricht
Übungen Anwendungen Wiederholungen	z. B. Selbstorganisiertes Lernen Lernvereinbarungen Binnendifferenzierung	z. B. Klonierung eines „Gene of Interest“ (z. B. GFP) in einen Expressionsvektor mit Aufreinigungstag Analyse von Fisch in Fischstäbchen Nachweis von Pferdefleisch in Fleischprodukten Nachweis von genverändertem Mais oder Soja in Lebensmitteln

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

BPE 1	Herstellung gentechnisch veränderter Organismen (GVO)	25
Die Schülerinnen und Schüler führen das verantwortungsvolle, sichere Arbeiten mit gentechnisch veränderten Bakterien und sachgerechte Experimente in einer gentechnischen Anlage der Sicherheitsstufe S1 durch. Sie führen die Herstellung kompetenter Zellen, eine Transformation und Selektion mit geeignetem Selektionsmarker zur Erzeugung eines GVO durch. Sie berechnen und bewerten die Transformationseffizienz der hergestellten kompetenten Zellen und dokumentieren ihre Experimente.

BPE 1.1

Die Schülerinnen und Schüler nennen die Ziele des Gentechnikgesetzes und geben Begriffe des Gentechnikgesetzes an.

Ziele des Gentechnikgesetzes
Gentechnische Arbeiten
biologische Sicherheitsstufen	S1-S4 Labore
gentechnische Anlage
Laborsicherheits- und Hygienemaßnahmen
Umgang mit GVO, Abtötung und Entsorgung von GVO

BPE 1.2

Die Schülerinnen und Schüler planen und führen die Herstellung kompetenter Zellen durch. Sie bestimmen eine geeignete Selektionsmethode, führen eine Transformation durch und ermitteln die Transformationseffizienz. Sie beurteilen diese und dokumentieren ihre Experimente.

Transformation
Herstellung kompetenter Zellen	chemisch- und elektrokompetente Zellen
Transformation	Hitzeschock, Elektroporation
Selektion	Selektionsmarker
Transformationseffizienz	Vergleich der Transformationseffizienz
Berechnungen von Einwaagen Durchführung von Einwaagen Herstellung von Lösungen und Medien Dokumentation
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 2	Molekularbiologische Methoden zur Reinigung, Analyse und Modifikation von Nukleinsäuren	70
Die Schülerinnen und Schüler führen Grundtechniken zur Reinigung, Analyse und Modifikation von Nukleinsäuren durch. Sie beurteilen ihre Versuchsergebnisse und dokumentieren die Experimente. Sie wenden grundlegende Methoden zur Untersuchung von Nukleinsäuren an. Sie arbeiten mit Mikroorganismen, gentechnisch veränderten Organismen und Enzymen.

BPE 2.1

Die Schülerinnen und Schüler führen anhand der aus dem Bakterienstamm zu isolierenden Plasmide eine Kultivierung der Zellen für die Plasmidisolation in einem geeigneten Selektionsmedium durch. In der Theorie erläutern sie prinzipielle Schritte der DNA-Isolierung. Sie führen mithilfe eines Plasmid-DNA-Isolation-Kits und dessen englischer Anleitung eine Plasmidisolation durch.
Sie untersuchen das Absorptionsverhalten der isolierten Plasmid-DNA-Lösungen, ermitteln fotometrisch deren Konzentration und Reinheitsgrad. Sie bewerten die ermittelten Daten und leiten daran die Qualität ihrer Isolation ab. Die Schülerinnen und Schüler dokumentieren die Experimente.

Zellkultivierung mit geeignetem Selektionsmarker
Isolation der Plasmid-DNA
Zellernte
Zelllyse
Protein-Fällung mit gebundener genomischer DNA
Säulenchromatographie der Plasmid-DNA aus dem geklärten Überstand
Probenauftrag
Waschen
Elution
Fotometrische DNA-Konzentrations- und Reinheitsbestimmung
Absorptionsspektrum, ‑maxima von DNA A₂₆₀ = 1 entspricht 50 g/mL dsDNA c(dsDNA) = A₂₆₀ x 50 x Verdünnungsfaktor g/mL
linearer Bereich der Absorptionsmessung	A₂₆₀ zwischen 0,05 und 0,5
Quotient \(\frac{A_{260}}{A_{280}}\)	Zwischen 1,8 und 2,0

BPE 2.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Agarose-Gelelektrophorese als Methode zur Trennung von DNA-Fragmenten und erläutern die Bedeutung des DNA-Längenstandards für deren Größenbestimmung. Sie führen diese selbstständig durch. Sie ermitteln Fragment-Längen und untersuchen elektrophoretisch aufgetrennte DNA-Fragmente. Sie wenden das Prinzip einer Restriktionskartierung von Plasmiden an. Die Schülerinnen und Schüler dokumentieren das Experiment.

Agarose-Gelelektrophorese	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 4)
Agarosekonzentration	Trennschärfe
Ladepuffer	Glycerin, Xylencyanol und Bromphenolblau u.a.
Gelelektrophorese	TAE/TBE Puffer
Nachweis	DNA-Farbstoffe (unter Berücksichtigung DGUV Information 213-039)
Gel-Dokumentation
Fragmentlängenbestimmung mittels Eichkurve aus Laufstrecken von Fragmenten bekannter Größe
Laufverhalten natives und linearisiertes Plasmid	Supercoiled Plasmid, Plasmid mit Einzelstrangbruch, linearisiertes Plasmid, Concatemere

BPE 2.3

Die Schülerinnen und Schüler planen eine Restriktion von DNA-Molekülen und führen diese durch. Sie dokumentieren das Experiment.

Restriktionskartierung von DNA-Molekülen	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 3.1 und 3.2)
Vektorkarten
Restriktionsenzymauswahl
Pufferauswahl
Restriktionsansatz
Agarose-Gelelektrophorese zur Fragmentlängenbestimmung	vgl. BPE 2.2

BPE 2.4

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Polymerasekettenreaktion (PCR) als Methode zur Amplifikation, Modifikation und Diagnostik von DNA-Molekülen. Sie erläutern die Funktion der Bestandteile eines PCR-Ansatzes und nennen notwendige Kontrollen. Sie leiten anhand ausgewählter DNA-Sequenzen die zu verwendenden PCR-Primer und ein geeignetes Temperatur-Zeit-Profil für die Amplifikation ab. Die Schülerinnen und Schüler führen eine PCR durch, analysieren das Ergebnis mittels Agarose-Gelelektrophorese und dokumentieren das Experiment.

PCR	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 4.3)
Primerdesign	z. B. mit freiem Online Tool
Primer Annealing-Temperaturbestimmung mittels Berechnung der Schmelztemperatur T_m, Wallace-Regel (4+2-Regel)
Pipettierschema für PCR-Ansatz, Mastermix
Temperatur-Zeit-Profil eines PCR-Zyklus	PCR-Programm, Template-Länge, Annealing Temperatur, Primer
Agarose-Gelelektrophorese zur qualitativen Analyse der PCR-Produkte	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 4.3)
Quantitative PCR (qPCR)	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 4.3) z. B. dsDNA spezifische Farbstoffe, Hydrolyse-Sonden
CT-Wert
Quantifizierung
Standardkurve/Referenzgen	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 4.3)

BPE 2.5

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln die Klonierungsstrategie zur Erzeugung eines rekombinanten Plasmids. Sie führen die restriktionsbasierte Klonierung eines Gens durch und überprüfen den Erfolg der Klonierung. Sie dokumentieren die Experimente.

Klonierungsstrategie	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 3 und 4)
Vektorwahl	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 3.1)
Enden-Kompatibilität
Insert-Orientierung
DNA-Isolation
Restriktion
Dephosphorylierung des Vektors
Präparation von Vektor- und Insert-DNA	z. B. Gelextraktion, PCR
Ligation	fotometrische Konzentrationsbestimmung, molare Verhältnisse
Transformation
Überprüfung des rekombinanten Plasmids	z. B. Kontrollrestriktion, Kolonie-PCR, GFP-Fluoreszenz, Sequenzierung, Blau-Weiß-Selektion

BPE 3	Proteinanalytik	30
Die Schülerinnen und Schüler führen Grundtechniken zur Proteinextraktion und im Anschluss zur Auftrennung und Analyse von Proteingemischen durch, beurteilen ihre Versuchsergebnisse und dokumentieren die Experimente.

BPE 3.1

Die Schülerinnen und Schüler führen eine Proteinextraktion aus Zellen mit Laemmli-Auftragspuffer durch und dokumentieren das Experiment.

Gewinnung des Proteinextrakts
Laemmli-Auftragspuffer	Zusammensetzung
SDS und \(\beta\)-Mercaptoethanol (Denaturierung von Proteinen und gleichmäßige Ladung im Verhältnis zur Masse)

BPE 3.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die diskontinuierliche SDS-PAGE als Methode zur Trennung von Proteingemischen und erläutern die Bedeutung des Protein-Molekulargewichtstandards für die Bestimmung des Molekulargewichts. Sie führen die Methode selbstständig durch. Sie ermitteln das Molekulargewicht von Proteinen. Die Schülerinnen und Schüler dokumentieren das Experiment.

Diskontinuierliche SDS-PAGE	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 4.1)
Polyacrylamidkonzentration (PAA)	Trennschärfe, Sammel- und Trenngel
Nachweis von Proteinen im Gel	Färbung mit Coomassie Brilliant Blue G250
Gel-Dokumentation
Molekulargewichtsbestimmung von Proteinen mittels Eichkurve aus Laufstrecke von Proteinen bekannter Größe

BPE 3.3

Die Schülerinnen und Schüler erläutern den Western-Blot als Methode zum Transfer von Proteinen aus Gelen auf eine Membran und beurteilen den Erfolg des Transfers.
Sie führen die Methode selbstständig durch. Die Schülerinnen und Schüler dokumentieren das Experiment.

Western-Blot	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 4.2)
Transfer im elektrischen Feld	z. B. Nass-Blot oder Semi-Dry-Blot
Kontrolle auf erfolgreichen Transfer	z. B. Ponceau-Färbung der Membran und Coomassie-Färbung des PAA-Gels nach erfolgtem Transfer

BPE 3.4

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Immundetektion von auf Membranen immobilisierten, aufgetrennten Proteingemischen als Methode zur Identifizierung von Proteinen in Proteingemischen.
Sie führen die Methode selbstständig durch. Die Schülerinnen und Schüler dokumentieren das Experiment.

Immundetektion	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 4.2)
Blockieren unspezifischer Bindungsstellen auf der Membran	z. B. Milch, Serum, BSA
Primär- und Sekundärantikörper
Detektion	z. B. NBT/BCIP, ECL, Fluoreszenzfarbstoffe

Schuljahr 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

Vertiefung	Individualisiertes Lernen	Projektunterricht
z. B. Übungen Anwendungen Wiederholungen	z. B. Selbstorganisiertes Lernen Lernvereinbarungen Binnendifferenzierung	z. B. Expression mittels im Schuljahr 1 erstellten Konstrukts Aufreinigung und Qualitätskontrolle des Produkts Expression, Aufreinigung und Funktionstest einer Taq-Polymerase/Lactase/Lysozym/Restriktionsenzym

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

BPE 4	Ausbildungsbezogenes externes Praktikum	240
Die Schülerinnen und Schüler führen ein mindestens sechswöchiges, ausbildungsbezogenes Praktikum in geeigneten Einrichtungen oder Betrieben im Bereich der Naturwissenschaften (z. B. Biotechnologie, Biologie, Medizin, Veterinärmedizin, Biochemie, Mikrobiologie, Abwasserreinigung, Chemie, o. ä.), z. T. während der Schulferien, durch.

BPE 5	Biotechnologische Produktion von Proteinen	75
Die Schülerinnen und Schüler führen eine biotechnologische Produktion inklusives eines Downstream-Processing und Qualitätskontrolle des Produkts selbstständig durch, dokumentieren die Experimente und werten diese aus.

BPE 5.1

Die Schülerinnen und Schüler planen die Arbeitsschritte für die Expression eines Proteins und führen diese selbstständig durch. Sie dokumentieren das Experiment und werten dieses unter Verwendung digitaler Hilfsmittel aus.

Biotechnologische Proteinproduktion	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 7) z. B. GFP, Taq Polymerase, EcoRV, GST, MBP
Berechnungen, Herstellung und Sterilisation des Nährmediums	vgl. BPE 1.2
Sterilisation der Kulturgefäße
Vorkultur
Batch Fermentation	z. B. Schüttelkolben, induzierte/nicht-induzierte Kultur im Vergleich
Aufnahme einer Wachstumskurve
Induktion der Proteinexpression
Auswertung	vgl. „Mikrobiologie“ (BPE 4)
Bestimmung der spezifischen Wachstumsrate \(\mu = \frac{ln2}{t_{d}}\)	z. B. induzierte/nicht-induzierte Kultur im Vergleich, Wachstumskurve

BPE 5.2

Die Schülerinnen und Schüler führen ausgehend von einer Proteinexpression eine Produktreinigung selbstständig durch. Sie dokumentieren das Experiment und werten dieses unter Verwendung digitaler Hilfsmittel aus.

Produktreinigung	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 7.1 und 7.5)
Zellabtrennung	Zentrifugation
Zellaufschluss	z. B. Ultraschall, Lysozym
Produktreinigung mittels Chromatografie	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 7.6) z. B. Gelfiltration oder Affinitäts-Chromatografie

BPE 5.3

Die Schülerinnen und Schülern analysieren und beurteilen mithilfe einer SDS-PAGE die Qualität einer durchgeführten Produktreinigung. Sie leiten anhand der erhaltenen Resultate Verbesserungen für die Aufreinigung des Produkts ab. Sie dokumentieren das Experiment und werten das Experiment auch unter Verwendung digitaler Medien aus.

Qualitätskontrolle einer Produktreinigung	vgl. „Biotechnologie“ (BPE 7.8) Zugabe Probenpuffer und Aufkochen der Proben
Probenvorbereitung für SDS-PAGE SDS-PAGE
Nachweis des gereinigten Produkts im Gel	z. B. mit colloidalem Coomassie
Dokumentation mittels Gel-Dokumentation
Bestimmung der Größe des gereinigten Produkts	MW-Standardkurve, vgl. BPE 3.2
Bestimmung der Reinheit des gereinigten Produkts

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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