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Mi­kro­bio­lo­gie

Vor­be­mer­kun­gen

Schul­jahr 1

Ver­tie­fung – In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen – Pro­jekt­un­ter­richt (VIP)

30

Ver­tie­fung

In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen

Pro­jekt­un­ter­richt

z. B.
Übun­gen
An­wen­dun­gen
Wie­der­ho­lun­gen
z. B.
Selbst­or­ga­ni­sier­tes Ler­nen
Lern­ver­ein­ba­run­gen
Bin­nen­dif­fe­ren­zie­rung
z. B.
Er­stel­lung von Steck­brie­fen ver­schie­de­ner Mi­kro­or­ga­nis­men
ELISA-ba­sier­te Schnell­test­ver­fah­ren
MLST-Me­tho­de zur Iden­ti­fi­zie­rung
UV-Be­strah­lung von He­fen und Se­lek­ti­on UV-re­sis­ten­ter Mu­tan­ten
An­wen­dun­gen von Vi­ren in der Me­di­zin
Die The­men­aus­wahl des Pro­jekt­un­ter­richts hat aus den nach­fol­gen­den Bil­dungs­plan­ein­hei­ten un­ter Be­ach­tung fä­cher­ver­bin­den­der As­pek­te zu er­fol­gen.

BPE 1

Ge­fah­ren und Si­cher­heits­maß­nah­men beim Um­gang mit Mi­kro­or­ga­nis­men

7

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen und be­schrei­ben Er­kran­kun­gen aus ihrer Er­leb­nis­welt, die durch Mi­kro­or­ga­nis­men her­vor­ge­ru­fen wer­den. Sie be­schrei­ben die Über­tra­gungs­we­ge für die Er­kran­kun­gen und lei­ten Maß­nah­men zur Ver­hin­de­rung von In­fek­tio­nen ab. Sie er­läu­tern die Pa­tho­ge­ni­tät von Mi­kro­or­ga­nis­men bzw. Bio­stof­fen.
Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern am Bei­spiel von Mi­kro­or­ganismen der Ri­si­ko­grup­pe 1 bau­li­che, tech­ni­sche und or­ga­ni­sa­to­ri­sche Maß­nah­men, die sie vor den Ge­fah­ren beim Um­gang mit Mi­kro­or­ga­nis­men schüt­zen.

BPE 1.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen In­fek­ti­ons­krank­hei­ten und be­schrei­ben die je­wei­li­gen Über­tra­gungs­we­ge so­wie die ent­spre­chen­den Er­re­ger. Sie lei­ten aus den Über­tra­gungs­we­gen Maß­nah­men zur Ver­hin­de­rung der In­fek­ti­on mit Krank­heits­er­re­gern ab.

Na­tur­wis­sen­schaft­li­cher Er­kennt­nis­weg:
Krank­heit, Über­tra­gungs­weg, Er­re­ger
von der Be­ob­ach­tung zur Er­kennt­nis
z. B. Krank­heits­ver­brei­tung in der Fa­mi­lie, Co­ro­na­pan­de­mie, Auf­stel­lung von Er­re­ger­steck­brie­fen
In­fek­ti­ons­krank­hei­ten
z. B. Ma­gen-Darm-In­fek­ti­on, Schar­lach, Grip­pe Wind­po­cken, Le­gio­nel­lo­se, AIDS
Le­bens­mit­tel­in­fek­ti­on, Tröpf­chen­in­fek­ti­on, In­fek­ti­on über Ae­ro­so­le, In­fek­ti­on über Was­ser, Kon­tak­t­in­fek­ti­on

Er­re­ger ent­spre­chend der In­fek­ti­ons­krank­heit
z. B. E. co­li, EHEC, Sal­mo­nel­len, Strep­to­kok­ken, Sta­phy­lo­kok­ken, Clo­s­tri­di­um spec., In­flu­en­za­vi­ren, Va­ri­el­la-Zoos­ter-Vi­ren, Le­gio­nel­len, HI-Vi­ren
Rei­ni­gung des Le­bens­mit­tels, Durch­ga­ren, Ab­stand hal­ten, Schutz­mas­ke, Schutz­bril­le, De­kon­ta­mi­na­ti­on von Was­ser, Rei­ni­gung kon­ta­mi­nier­ter Ober­flä­chen, Hand­schu­he
z. B. Rei­ni­gungs­mit­tel, Re­geln bei Co­ro­na­pan­de­mie, Chlo­rie­rung, Er­hit­zen von Was­ser in Lei­tun­gen auf über 60 °C, Hän­de­wa­schen mit Sei­fe, Ober­flä­chen­rei­ni­gung

BPE 1.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die Ur­sa­chen der Pa­tho­ge­ni­tät und die Ein­ord­nung von Mi­kro­or­ga­nis­men in Ri­si­ko­grup­pen bio­lo­gi­scher Ar­beits­stof­fe un­ter Be­rück­sich­ti­gung de­ren Pa­tho­ge­ni­tät.

De­fi­ni­ti­on Pa­tho­ge­ni­tät

Ur­sa­chen und De­fi­ni­ti­on: En­do‑, Exo­to­xi­ne und Ober­flä­chen­struk­tu­ren
EHEC, Sal­mo­nel­len, C. bo­tu­li­um

De­fi­ni­ti­on Bio­stof­fe nach §2 Bio­S­toffV
z. B. Mi­kro­or­ga­nis­men, Zell­kul­tu­ren
Ri­si­ko­grup­pen 1 bis 4 nach §3 Bio­S­toffV

De­fi­ni­ti­on Ri­si­ko­grup­pe 1
z. B. Mi­kro­or­ga­nis­men, die in der Schu­le ein­ge­setzt wer­den, wie E. co­li, B. sub­ti­lis, Lac­to­ba­cil­lus

BPE 1.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern Re­geln und Schutz­maß­nah­men beim Ar­bei­ten mit Mi­kro­or­ga­nis­men der Ri­si­ko­grup­pe 1 im La­bor. Sie nen­nen aus­ge­wähl­te Schutz­maß­nah­men hö­he­rer Schutz­stu­fen.

STOP-Prin­zip: Sub­sti­tu­ti­on, tech­ni­sche Schutz­maß­nah­men, or­ga­ni­sa­to­ri­sche Schutz­maß­nah­men, per­sön­li­che Schutz­maß­nah­men
In­for­ma­ti­ons­quel­len: z. B. Ge­set­ze, Ver­ord­nun­gen, tech­ni­sche Re­geln, Be­rufs­ge­nos­sen­schaf­ten
Re­geln nach TRBA 100 und „Gu­te mi­kro­bio­lo­gi­sche Tech­nik“
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“
Bau­li­che Schutz­maß­nah­men
z. B. Si­cher­heits­tü­ren, Si­cher­heits­fens­ter, glat­te Ober­flä­chen
Ste­ril­tech­ni­sche Aus­stat­tung
z. B. Au­to­kla­ven
Or­ga­ni­sa­to­ri­sche Si­cher­heits­maß­nah­men, Ver­an­las­sung durch den Ar­beit­ge­ber
z. B. Ge­fähr­dungs­be­ur­tei­lun­gen, Ar­beits­schutz­maß­nah­men, Be­triebs­an­wei­sun­gen und Un­ter­wei­sun­gen
Per­sön­li­che Schutz­aus­rüs­tung (PSA)
z. B. La­bor­kit­tel, Schutz­bril­le, Schutz­hand­schu­he
vgl. „All­ge­mei­ne La­bor­me­tho­dik“
Bei­spie­le für Si­cher­heits­maß­nah­men bei Ar­bei­ten mit Bio­stof­fen hö­he­rer Ri­si­ko­grup­pen
z. B. Lüf­tungs­an­la­gen mit Fil­tern, Voll­schutz­an­zü­ge, ar­beits­me­di­zi­ni­sche Un­ter­su­chun­gen

BPE 2

Viel­falt und Klas­si­fi­zie­rung von Mi­kro­or­ga­nis­men

11

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben den Auf­bau und die Auf­ga­ben der Fein­struk­tu­ren bak­te­ri­el­ler Zel­len und En­do­spo­ren so­wie von He­fen und Pil­zen. Sie ord­nen Mi­kro­or­ga­nis­men nach mor­pho­lo­gi­schen und phy­sio­lo­gi­schen Ei­gen­schaf­ten sys­te­ma­ti­schen Grup­pen zu, ken­nen die Grund­la­gen der Ta­xo­no­mie und be­schrei­ben klas­si­sche und mo­le­ku­lar­bio­lo­gi­sche Me­tho­den zur Klas­si­fi­zie­rung.

BPE 2.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler un­ter­schei­den die drei gro­ßen Rei­che des Le­bens und skiz­zie­ren ex­em­pla­risch Un­ter­schie­de zwi­schen den Rei­chen und Vi­ren.

Ein­tei­lung von Mi­kro­or­ga­nis­men: Eu­ka­ryo­ten, Pro­ka­ryo­ten, Ar­chaea

Ta­xo­no­mie, bi­nä­ren No­men­kla­tur: Be­nen­nung von Or­ga­nis­men mit ei­nem Gat­tungs- und Art­na­men, Schreib­wei­se: kur­siv
z. B. Fa­mi­lie: En­ter­obac­te­ri­aceae, Gat­tung: Sal­mo­nella, Art: S. en­te­ri­ca
Hier­ar­chie: Stamm, Art, Gat­tung, Fa­mi­lie

Vi­ren
vgl. BPE 7

BPE 2.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die Ko­lo­nie­mor­pho­lo­gie als ma­kro­sko­pi­sche Un­ter­schei­dungs­mög­lich­keit für Mi­kro­or­ga­nis­men.

Un­ter­schei­dungs­mög­lich­kei­ten: Ko­lo­nieg­rö­ße, ‑form, ‑kon­sis­tenz, ‑far­be, ‑rän­der
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“
Mi­cro­coc­cus lu­teus, Ba­cil­lus my­co­ides, Rho­doto­ru­la mu­ci­la­gi­no­sa
vgl. BPE 3

BPE 2.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben Zell­for­men und -ver­bän­de. Sie er­läu­tern den Auf­bau bak­te­ri­el­ler Zel­len und von Pilz- und He­fe­zel­len und wen­den die­se Kri­te­ri­en zur Un­ter­schei­dung und Ein­grup­pie­rung von Mi­kro­or­ga­nis­men an.

Bak­te­ri­el­le Zell­for­men
Sta­phy­lo­kok­ken, Strep­to­kok­ken, E. co­li, Ba­cil­lus sub­ti­lis
  • Kok­ken: ku­gel­för­mig
  • co­li­for­me Bak­te­ri­en und Ba­cil­len: stäb­chen­för­mig
  • Vi­brio­nen: kom­maför­mig
  • Spi­ril­len: spi­ra­lig

Zell­ver­bän­de

  • Mi­kro­kok­ken: Ein­zel­zel­len
  • Strep­to­kok­ken: Ket­ten
  • Sta­phy­lo­kok­ken: Trau­ben

Fein­struk­tur von Bak­te­ri­en­zel­len mit Funk­ti­on: ge­no­mi­sche und Plas­mi­d-D­NA, Cy­to­plas­ma, Ri­bo­so­men, Zell­mem­bran mit Ein­stül­pun­gen, Zell­wand, Zell­hül­le, Gei­ßeln, Pi­li
Licht- und elek­tro­nen­mi­kro­sko­pi­sche Auf­nah­men, vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“, vgl. „Bio­lo­gie“
Ver­gleich mit eu­ka­ryo­ti­schen Zell­struk­tu­ren
vgl. „Bio­lo­gie“
Grö­ßen­ver­gleich ver­schie­de­ner Mi­kro­or­ga­nis­men
Ba­cil­lus sub­ti­lis, Ba­cil­lus me­ga­te­ri­um, Sac­cha­ro­my­ces ce­re­vi­siae
Be­son­der­hei­ten im Auf­bau von He­fe‑, Pilz­zel­len: Nar­be, My­zel, Hy­phe
Sac­cha­ro­my­ces ce­re­vi­siae, Yar­ro­wia li­po­lyti­ca, As­per­gil­lus ni­ger
Ver­gleich der Zell­wän­de von Bak­te­ri­en (Gram-ne­ga­tiv, Gram-po­si­tiv)
Mu­r­ein als He­tero­po­ly­mer: Rück­grat aus Po­ly­sac­cha­ri­den quer­ver­netzt durch Pep­ti­de
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“

BPE 2.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler for­mu­lie­ren ei­nen Über­blick zu bio­che­mi­schen und mo­le­ku­lar­bio­lo­gi­schen Mög­lich­kei­ten zur Un­ter­schei­dung von Mi­kro­or­ga­nis­men.

Bio­che­mi­sche Un­ter­schei­dungs­mög­lich­kei­ten: Stoff­wech­sel­pro­fil, phy­sio­lo­gi­sche Ei­gen­schaf­ten
vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“, vgl. „Bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“
Mo­le­ku­lar­bio­lo­gi­sche Un­ter­schei­dungs­mög­lich­kei­ten: ELISA, DNA-Se­quenz­ana­ly­se von 16SrR­NA, GC-Ge­halt, Bar­co­ding
z. B.: Nach­weis von Ober­flä­chen­struk­tu­ren von Sal­mo­nel­len, vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“
Ver­gleichs­kri­te­ri­en: Ein­satz­mög­lich­keit, Spe­zi­fi­tät, (Zeit‑)Auf­wand

BPE 2.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler skiz­zie­ren ver­glei­chend zwei Dau­er­for­men und er­läu­tern den Auf­bau und die Ent­ste­hung bak­te­ri­el­ler En­do­spo­ren.

Mi­kro­bi­el­le Dau­er­for­men: En­do­spo­ren, Exo­spo­ren

Ver­gleich hin­sicht­lich Vor­kom­men, Zweck, prin­zi­pi­el­ler Auf­bau

De­tail­lier­ter Auf­bau, Bil­dung und Nach­weis bak­te­ri­el­ler En­do­spo­ren
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“

BPE 3

Wachs­tums­be­din­gun­gen von Mi­kro­or­ga­nis­men

10

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern die Wachs­tums­be­din­gun­gen und er­klä­ren die all­ge­mei­nen Nähr­stoff­an­sprü­che von pro­to­tro­phen so­wie die be­son­de­ren An­sprü­che ein­zel­ner au­xo­tro­pher Mi­kro­or­ga­nis­men. Im Fo­kus ste­hen hier die je­wei­li­gen Quel­len im Nähr­me­di­um und de­ren Be­deu­tung für das Wachs­tum der Mi­kro­or­ga­nismen. Sie füh­ren die er­for­der­li­chen Be­rech­nun­gen zu Kon­zen­tra­tio­nen der ein­zel­nen Kom­po­nen­ten in Me­di­en durch.

BPE 3.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen die De­fi­ni­tio­nen und un­ter­schei­den ver­schie­de­ne Stoff­wech­sel­ty­pen von Mi­kro­or­ga­nis­men.

C-Quel­le: He­tero­tro­phie, Au­to­tro­phie

En­er­gie­quel­le: Che­mo­tro­phie, Pho­to­tro­phie
Tier, Pflan­ze, Cya­no­bak­te­ri­en
Syn­the­se­leis­tung: Pro­to­tro­phie, Au­xo­tro­phie

BPE 3.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern un­ter­schied­li­che Wachs­tums­be­din­gun­gen und lei­ten dar­aus op­ti­ma­le Le­bens­be­din­gun­gen für aus­ge­wähl­te Mi­kro­or­ga­nis­men ab, wo­bei sie als Er­klä­rungs­an­satz auch die Ak­ti­vi­tät von En­zy­men auf­zei­gen.

Mi­kro­or­ga­nis­men: As­per­gil­lus ni­ger, E. co­li, Ba­cil­lus sub­ti­lis, Ther­mo­phi­lus aqua­ti­cus, Clo­s­tri­di­um bo­tu­li­num

Nähr­stoff als En­er­gie- und Koh­len­stoff­quel­le

pH-Wert: Aci­do­phil, neu­tro­phil, al­ka­li­phil

aw-Wer­t-To­le­ranz­be­rei­che
man­che He­fen ≥ 0,6, Schim­mel­pil­ze ≥ 0,8, Bak­te­ri­en > 0,98
Tem­pe­ra­tur: psy­chro­phil, me­so­phil, ther­mo­phil

Sau­er­stoff: ae­rob, an­ae­rob, fa­kul­ta­tiv an­ae­rob

BPE 3.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern die Nähr­stoff­an­sprü­che pro­to­tro­pher Mi­kro­or­ga­nis­men in Be­zug auf Ma­kro- und Spu­ren­ele­men­te so­wie de­ren Funk­tio­nen für den Mi­kro­or­ga­nis­mus.

Nähr­stoff­quel­len: Pep­to­ne, He­fe­ex­trakt, Glu­co­se, an­or­ga­ni­sche Sal­ze
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“
Ma­kro­ele­men­te:
Konzentration > 50 \(\frac{mg}{kg}\)
C, H, O, N, S, P, Ca‑, K‑, Mg-Io­nen

Spu­ren­ele­men­te:
Konzentration <50 \(\frac{mg}{kg}\)
Zin­k-Io­nen, Ei­sen(III)-Io­nen, Co­balt-Io­nen, Kup­fer-Io­nen

BPE 3.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern den be­son­de­ren Nähr­stoff­an­spruch au­xo­tro­pher Mi­kro­or­ga­nis­men für den auf­bau­en­den Stoff­wech­sel.

Supp­li­ne: De­fi­ni­ti­on

Vit­ami­ne: Co­en­zy­me
Bio­tin, Ni­co­tin­säu­re
Ami­no­säu­ren: Pro­te­in­bau­stein

Fett­säu­ren
Öl­säu­re in Cy­to­plas­ma­mem­bran
Man­gel­mu­tan­ten, auch De­fi­ni­ti­on
vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“, vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“

BPE 3.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ord­nen an­hand der je­wei­li­gen De­fi­ni­ti­on und Me­di­en­zu­sam­men­set­zung die Nähr­me­di­en be­stimm­ten Me­di­en­ty­pen zu. Sie be­ur­tei­len die Ver­wend­bar­keit ver­schie­de­ner Me­di­en­kom­po­nen­ten für die Her­stel­lung spe­zi­fi­scher Me­di­en und be­rech­nen er­for­der­li­che Grö­ßen zur Me­di­en­her­stel­lung.

Kon­sis­tenz: Fest­me­di­um, Flüs­sig­me­di­um

In­halts­stof­fe: Kom­ple­xe, de­fi­nier­te Me­di­en
LB, M9, vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“
Nähr­stoff­an­sprü­che: Voll­me­di­um, Mi­ni­mal­me­di­um
LB, M9
Un­ter­su­chungs­ziel: Se­lek­tiv­me­di­um, Dif­fe­ren­zie­rungs­me­di­um
LB mit An­ti­bio­ti­kum, Mc­Con­key-A­gar, En­do­agar
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“
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 4

Kul­ti­vie­rungs­ver­fah­ren

10

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern auch quan­ti­ta­tiv die Ver­meh­rung von Bak­te­ri­en und das Wachs­tum von Bak­te­ri­en­po­pu­la­tio­nen. Sie ord­nen Ab­schnit­te in Wachs­tums­dia­gram­men be­stimm­ten Wachs­tums­pha­sen zu und be­grün­den die­se Zu­ord­nung mit zel­lu­lä­ren Vor­gän­gen bei sich ver­än­dern­den Wachs­tums­be­din­gun­gen. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­mit­teln Ein­flussfak­to­ren für das Wachs­tum und be­ur­tei­len mit de­ren Hil­fe das Wachs­tums­ver­hal­ten von Kul­tu­ren.

BPE 4.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern Wachs­tum und Zell­tei­lung bei Bak­te­ri­en so­wie ge­eig­ne­te Mess­me­tho­den, um das Wachs­tum zu quan­ti­fi­zie­ren.

Zel­lu­lä­rer Ab­lauf der Zell­tei­lung

Mess­me­tho­den und Be­rech­nun­gen für Le­bend- und Ge­samt­keim­zahl
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“
vgl. „Ma­the­ma­tik I“ (BPE 1 und BPE 4)
  • Zähl­kam­mer­ver­fah­ren, Be­stim­mung der ko­lo­nie­bil­den­den Ein­hei­ten

  • Fo­to­me­ter, Bio(tro­cken)mas­se­be­stim­mung
Stör­grö­ße: Grö­ßen­wachs­tum

BPE 4.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler un­ter­schei­den ver­schie­de­ne Wachs­tums­pha­sen und be­grün­den den Ver­lauf des Wachs­tums mit zel­lu­lä­ren Vor­gän­gen und den sich än­dern­den Wachs­tums­be­din­gun­gen.

An­lauf­pha­se, ex­po­nen­ti­el­le Pha­se, sta­tio­nä­re Pha­se, Ab­ster­be­pha­se
Über­gangs­pha­sen
In­duk­ti­on ab­bau­en­der Stoff­wech­sel­we­ge
vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“
Ab­nah­me der Sub­strat­kon­zen­tra­ti­on, An­häu­fung wachs­tums­li­mi­tie­ren­der Pro­duk­te

Di­au­xie
vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“

BPE 4.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len Dia­gram­me zum zeit­li­chen Ver­lauf des Wachs­tums bei sta­ti­scher Kul­ti­vie­rung dar und in­ter­pre­tie­ren die­se. Sie er­mit­teln aus den Gra­phen Wachs­tums­pa­ra­me­ter.

De­fi­ni­ti­on: Batch- und Fe­d-Batch-Kul­ti­vie­rung
vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“
Wachs­tums­kur­ven, auch hal­blo­ga­rith­mi­sche Auf­tra­gung

Dar­stel­lung von Da­ten in Ta­bel­len und Dia­gram­men
vgl. „Ma­the­ma­tik I“ (BPE 4)
Ma­xi­ma­le und mitt­le­re Wachs­tums­ra­te, Tei­lungs­ra­ten, Ge­ne­ra­ti­ons­zeit, Ver­dop­pe­lungs­zeit

BPE 4.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­rech­nen Pa­ra­me­ter, die das Wachs­tums­ver­hal­ten be­schrei­ben und be­ur­tei­len die Er­geb­nis­se mit dem Ziel der Wachs­tums­op­ti­mie­rung.

Er­mitt­lung und Be­rech­nung von Zell­zahl N, An­zahl Tei­lun­gen n, Tei­lungs­ra­te ν und Ge­ne­ra­ti­ons­zeit g auf Grund­la­ge der Zell­zahl

Wachs­tums­ra­te µ und ma­xi­ma­ler Wachs­tums­ra­te µmax so­wie der Ver­dop­pe­lungs­zeit tD auf Grund­la­ge der Bio­mas­se

Dar­stel­lung von Da­ten in Ta­bel­len und Dia­gram­men
vgl. „Ma­the­ma­tik I“ (BPE 4)
Für die Stan­dard­zel­le ver­ein­fa­chend: v = µ und Ge­ne­ra­ti­ons­zeit g = tD
Stan­dard­zel­le: Zu­nah­me Zell­zahl und Zell­mas­se in glei­chem Ma­ße
\(N_{t} = N_{0} \cdot 2^{n}\);
\(n = \frac{log N_{t} - log N_{0}}{log2}\); \(g = \frac{t}{n}\);
\(ν = \frac {n}{t} = \frac{1}{g}\);
\(x = x_{0} \cdot e^{\mu \cdot t}\);
\(\mu = \frac{ln2}{t_{d}}\)

BPE 5

Iso­lie­rung von Mi­kro­or­ga­nis­men

8

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­ken­nen die Not­wen­dig­keit der Her­stel­lung ei­ner Rein­kul­tur aus ei­ner Misch­kul­tur, da nur die­se die Cha­rak­te­ri­sie­rung des Mi­kroorga­nis­mus mit mi­kro­bio­lo­gi­schen Me­tho­den er­mög­licht. Durch den Ver­gleich un­ter­schied­li­cher Kul­ti­vie­rungs­zwe­cke stel­len die Schü­le­rin­nen und Schü­ler fest, dass nur die Rein­kul­turen für den Ein­satz in der bio­tech­no­lo­gi­schen Pro­duk­ti­on ge­eig­net ist und nur die Misch­kul­tur die Mög­lich­keit bie­tet, die Di­ver­si­tät ei­ner mi­kro­bi­el­len Ge­mein­schaft zu ana­ly­sie­ren. Sie wen­den die Prin­zi­pi­en der Her­stel­lung ei­ner Rein­kul­tur aus ei­ner Misch­kul­tur bei ge­ge­be­nen op­ti­ma­len Kul­ti­vie­rungs­be­din­gun­gen auch auf ih­nen un­be­kann­te Sach­ver­hal­te an.

BPE 5.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben ver­schie­de­ne Kul­ti­vie­rungs­tech­ni­ken und ver­glei­chen ex­em­pla­risch de­ren Ein­satz­mög­lich­kei­ten. Sie be­grün­den ex­em­pla­risch das prin­zi­pi­el­le Vor­ge­hen zur Iso­lie­rung ei­ner Mi­kro­or­ga­nis­men­spe­zi­es, in­dem sie die Kon­se­quen­zen der Durch­füh­rung der Schrit­te für die zu­neh­men­de Ein­schrän­kung der Mi­kro­or­ga­nis­men­viel­falt er­läu­tern.

De­fi­ni­tio­nen: Misch­kul­tur, An­rei­che­rungs­kul­tur, Rein­kul­tur
Elek­tiv­me­di­um, Se­lek­tiv­me­di­um,
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“
Ver­dün­nungs­rei­he mit Plat­tie­rungs­ver­fah­ren, frak­tio­nier­ter Aus­strich
Flüs­sig­kul­tur, Kul­ti­vie­rung auf Fest­me­di­um,
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“
Ein­satz­mög­lich­kei­ten: Ana­ly­se der Viel­falt ei­ner Mi­kro­or­ga­nis­men­po­pu­la­ti­on, bio­tech­no­lo­gi­sche Pro­duk­ti­on, Mi­kro­or­ga­nis­men­samm­lung

Kul­ti­vie­rung un­ter nicht- bzw. we­nig se­lek­ti­ven Be­din­gun­gen, Se­lek­ti­on, Rein­heits­kon­trol­le, Iden­ti­fi­zie­rung
vgl. BPE 2, vgl. BPE 3

BPE 5.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler for­mu­lie­ren ei­nen Steck­brief für ei­ne Mi­kro­or­ga­nis­men­spe­zi­es und lei­ten auf Grund­la­ge spe­zi­el­ler Wachs­tums­an­sprü­che die­ser Spe­zi­es das prin­zi­pi­el­le me­tho­di­sche Vor­ge­hen zu de­ren Iso­lie­rung aus ei­ner Misch­kul­tur ab.

Steck­brief mit An­for­de­run­gen an Wachs­tums­be­din­gun­gen, mor­pho­lo­gi­schen und phy­sio­lo­gi­schen Ei­gen­schaf­ten
z. B. Schleim­kap­sel-bil­den­den­der, stäb­chen­för­mi­ger, ae­rober, me­so­phi­ler, stick­stoff­fi­xie­ren­der, Man­ni­tol-oxi­die­ren­der, gram-ne­ga­ti­ver Azo­to­bac­ter-Spe­zi­es aus ei­ner Bo­den­pro­be, vgl. BPE 3
Iso­lie­rung aus Misch­kul­tur
Ent­nah­me ei­ner Bo­den­pro­be
An­rei­che­rung als Misch­kul­tur
z. B. in mi­ne­ra­li­schem Me­di­um oh­ne Stick­stoff mit Man­ni­tol als ein­zi­ger Koh­len­stoff­quel­le, Kahm­haut
Ver­ein­ze­lung
z. B. durch Plat­tie­ren oder durch wie­der­hol­tes Pi­cken und Aus­strei­chen
Zell­mor­pho­lo­gi­sche Iden­ti­fi­zie­rung mit Fär­be­me­tho­den, mo­le­ku­lar­bio­lo­gi­sche Iden­ti­fi­zie­rung
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“

BPE 6

Wachs­tums­hem­mung und Kei­m­ab­tö­tung

8

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler un­ter­schei­den Ver­fah­ren zur Keim­re­duk­ti­on und er­läu­tern je­weils das Wirk­prin­zip. Sie be­schrei­ben die prin­zi­pi­el­le Wir­kungs­wei­se aus­ge­wähl­ter An­ti­bio­ti­ka und die ent­spre­chen­den Re­sis­tenz­me­cha­nis­men so­wie den mo­le­ku­la­ren Re­sis­tenz­me­cha­nismus ge­gen \(\beta\)-Lactam-An­ti­bio­ti­ka. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­ur­tei­len die Ef­fek­ti­vi­tät von In­ak­ti­vie­rungs­me­tho­den an­hand des be­rech­ne­ten D-Wer­tes.

BPE 6.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­glei­chen be­stimm­te Ver­fah­ren zur Keim­re­duk­ti­on hin­sicht­lich der Ef­fek­ti­vi­tät, der ver­wen­de­ten Me­tho­de und nen­nen bei­spiel­haft Ein­satz­mög­lich­kei­ten.

Pas­teu­ri­sie­rung: kurz­zei­ti­ges Er­hit­zen, Tei­lent­kei­mung, Le­bens­mit­tel­kon­ser­vie­rung
80 °C, 10 min
Des­in­fek­ti­on: des­in­fi­zie­ren­de Lö­sun­gen, Tei­lent­kei­mung, Flä­chen und Ge­rä­te

Ste­ri­li­sa­ti­on: feuch­te Hit­ze und tro­cke­ne Hit­ze, Keim­frei­heit, hit­ze­s­ta­bi­le Lö­sun­gen

BPE 6.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben das je­wei­li­ge Wirk­prin­zip und nen­nen An­wen­dungs­be­rei­che ver­schie­de­ner Keim­re­duk­ti­ons­ver­fah­ren.

UV-Strah­lung: Mu­ta­ge­ne­se durch ho­he En­er­gie­do­sis
z. B. Si­cher­heits­werk­bank, Raum
Etha­nol: Zer­stö­rung der Zell­hül­le durch Lö­sungs­mit­tel­ein­wir­kung
z. B. Si­cher­heits­werk­bank, Raum
Feuch­te und tro­cke­ne Hit­ze: De­na­tu­rie­rung von Ma­kro­mo­le­kü­len durch Hit­ze­ein­wir­kung

  • feuch­te Hit­ze: Au­to­kla­vie­ren
z. B. Lö­sun­gen, Me­di­en und Plas­tik
  • tro­cke­ne Hit­ze: Heiß­luft­ste­ri­li­sa­ti­on
z. B. hit­ze­s­ta­bi­le Ma­te­ria­li­en
Mi­kro­fil­tra­ti­on: phy­si­ka­li­sche Ab­tren­nung von Mi­kro­or­ga­nis­men durch Mem­bran­fil­ter mit Po­ren­grö­ßen 0,1 – 0,4 µm
bei ther­mola­bi­len Lö­sun­gen z. B. Glu­co­sel­ö­sung, An­ti­bio­ti­kalö­sung, Vit­amin­lö­sung

BPE 6.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern prin­zi­pi­el­le Wir­kungs­wei­sen be­stimm­ter An­ti­bio­ti­ka als Hem­mun­gen zen­tra­ler Zell­tei­lungs- und Stoff­wech­sel­vor­gän­ge und sie be­schrei­ben prin­zi­pi­el­le Re­sis­tenz­me­cha­nis­men ge­gen die­se An­ti­bio­ti­ka.

Zellwandsynthese: Hemmung der Quervernetzung des Mureins durch \(\beta\)-Lactam-Antibiotika
ver­rin­ger­te Zell­wand­sta­bi­li­tät, Ly­se, vor al­lem sich tei­len­der, gram­po­si­ti­ver Bak­te­ri­en, z. B. Pe­ni­cil­lin, Ce­pha­lo­spo­ri­ne, vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“
Zen­tra­le En­zy­me: Hem­mung der bak­te­ri­el­len
z. B. Qui­no­lo­ne, Rif­a­my­ci­ne, vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“
  • To­poi­so­me­ra­se
kei­ne Re­pli­ka­ti­on
  • RNA-Po­ly­me­ra­se
kei­ne Ge­n­ex­pres­si­on
Pro­te­in­bio­syn­the­se: Bin­dung an die gro­ße oder klei­ne Un­ter­ein­heit bak­te­ri­el­ler Ri­bo­so­men
Hem­mung der Elonga­ti­on der Trans­la­ti­on z. B. Te­tra­cy­cli­ne, Chl­o­r­am­phe­ni­co­le, vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“
Syn­the­se es­sen­zi­el­ler Me­ta­bo­li­te: Hem­mung der bak­te­ri­el­len Te­tra­hy­dro­fo­lat­syn­the­se
Feh­len­der Me­ta­bo­lit zur Nu­kle­in­säu­re­syn­the­se z. B. Sul­fona­mi­de
Re­sis­tenz­me­cha­nis­men

  • zel­lu­lä­res Ziel: Ver­än­de­rung
z. B. Mu­ta­ti­on
  • An­ti­bio­ti­kum: Ab­bau oder In­ak­ti­vie­rung, Aus­schleu­sen, Um­ge­hung

BPE 6.4

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den molekularen Mechanismus, der Resistenz gegenüber \(\beta\)-Lactam-Antibiotika.

\(\beta\)-Lactam-Antibiotika-neutralisierendes Enzym: \(\beta\)-Lactamase
Gen: bla, ampR
vgl. BPE 2
Hydrolyse des \(\beta\)-Lactamrings, keine Bindung des Spaltprodukts an Murein-synthetisierende Enzyme möglich, keine Hemmung der Zellwandsynthese
kein Zell­tod

BPE 6.5

Schü­le­rin­nen und Schü­ler wen­den den D-Wert zur Be­rech­nung der Ef­fek­ti­vi­tät von In­ak­ti­vie­rungs­me­tho­den an.

Fach­be­zo­ge­nes Rech­nen
vgl. „Ma­the­ma­tik I“ (BPE 4)
D-Wert (De­zi­ma­le Re­duk­ti­ons­zeit): für die Ab­tö­tung von 90 Pro­zent der Kei­me er­for­der­li­che Zeit
auch D10-Wert
  • Faktor= \(\frac{Dauer}{D-Wert}\)
  • überlebende Zellen \(= \frac{N_{0}}{10^{Faktor}}\)

Va­ria­ti­on ab­hän­gig von Kei­mart und Ste­ri­li­sa­ti­ons­be­din­gun­gen

BPE 7

Viel­falt und Ver­meh­rung von Vi­ren

8

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler skiz­zie­ren den Auf­bau und die Ent­wick­lung hu­man- und bak­te­ri­en­spe­zi­fi­scher Vi­ren, ord­nen sie in Klas­sen ein und nen­nen ty­pi­sche Ver­tre­ter. Diese Kennt­nis bil­det die Grund­la­ge für das Ver­ständ­nis der prin­zi­pi­el­len Vor­gän­ge in den Wirtszel­len, die in bio­lo­gi­schen Zu­sam­men­hän­gen dar­ge­stellt und er­fasst wer­den. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler wen­den ih­re Kennt­nis­se über­ge­ord­ne­ter, wie­der­keh­ren­der Prin­zi­pi­en auch auf neue Sachver­hal­te an.

BPE 7.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler for­mu­lie­ren ei­nen Über­blick zur Wirts­spe­zi­fi­tät von Vi­ren.

Bak­te­ri­en: Pha­ge Lamb­da, T-Pha­gen
Mensch: In­flu­en­za­vi­ren, hu­ma­nes Im­mun­schwä­che­vi­rus (HIV)

Wirts­spe­zi­fi­tät durch Schlüs­sel-Schlos­s-Prin­zip von Ober­flä­chen­pro­te­inen des Vi­rus und von Zell­ober­flä­chen­pro­te­inen des Wirts

BPE 7.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­glei­chen den Auf­bau von Vi­ren, be­schrei­ben auch die Funk­ti­on der Kom­po­nen­ten und ord­nen Vi­ren un­ter An­wen­dung der Kri­te­ri­en des Bal­ti­more-Sche­mas ein.

Kri­te­ri­en des Bal­ti­more-Sche­mas

  • Ge­nom

DNA, RNA, li­ne­ar, ring­för­mig, dop­pel­strän­gig (ds), ein­zel­strän­gig (ss) mit Po­la­ri­tät (+) oder (‑)
Erb­gut, mR­NA
z. B. HIV: (+)-ssRNA, Re­ver­se Tran­skrip­ta­se, vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“
  • Cap­s­id

Ein­fa­che Vi­ren
z. B. M13, Her­pes-sim­plex-Vi­rus
Kom­ple­xe Vi­ren
z. B. T4-Pha­ge
  • Schutz des Ge­noms

  • bei un­be­hüll­ten Vi­ren: An­dock­me­cha­nis­mus, Be­för­de­rung des Ge­noms in die Zel­le

  • Hül­le

Un­be­hüll­te Vi­ren
z. B. T-Pha­gen
Be­hüll­te Vi­ren
z. B. SARS­CoV-2, HIV
  • An­dock­me­cha­nis­mus, Be­för­de­rung des Ge­noms in die Zel­le

  • Cy­to­plas­ma­mem­bran der Wirts­zel­le, vi­ra­le Mem­bran­pro­te­ine, Spi­ke-Pro­te­ine

BPE 7.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler un­ter­schei­den den ly­ti­schen vom ly­so­ge­nen Ent­wick­lungs­zy­klus und be­nen­nen ty­pi­sche Ver­tre­ter. Sie be­schrei­ben Ab­wehr­me­cha­nis­men der Wirts­zel­len.

Ly­ti­scher Zy­klus

  • Ad­sorp­ti­on
  • In­jek­ti­on
  • La­tenz­pha­se
  • As­sem­bling
  • Frei­set­zung neu­er Vi­ren i. d. R. mit Zell­ly­se, ggf. Exo­zy­to­se-ähn­li­cher Vor­gang oh­ne Zer­stö­rung der Wirts­zel­le

Pro­duk­ti­on sehr vie­ler Vi­ren in kur­zer Zeit, bei Frei­set­zung i. d. R. Zell­ly­se
z. B. T4-Pha­ge, 25 min
Ra­bies­vi­rus
Ly­so­ge­ner Zy­klus

  • orts­spe­zi­fi­sche Re­kom­bi­na­ti­on ins Wirts­ge­nom, bei Re­tro­vi­ren nach re­ver­ser Tran­skrip­ti­on
  • Re­pli­ka­ti­on vi­ra­ler DNA (Pro­pha­ge oder Pro­vi­rus) mit Wirts­ge­nom, kei­ne Ex­pres­si­on
  • spon­ta­ner oder durch äu­ße­ren Reiz in­du­zier­ter Über­gang in den ly­ti­schen Zy­klus, da­bei Aus­sche­ren des vi­ra­len Ge­noms
z. B. \(\lambda\)-Phage, HIV, vgl. BPE 8
Ab­wehr­me­cha­nis­men der Wirts­zel­le: Mu­ta­ti­on der Re­zep­to­ren; bei Bak­te­ri­en: Re­strik­ti­on vi­ra­ler DNA, CRISPR/Cas-Sys­tem
vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“

BPE 7.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler in­ter­pre­tie­ren Dia­gram­me und Ta­bel­len zum Vi­rus­ti­ter und Vi­rus­ver­meh­rung

Wachs­tums­kur­ven von Vi­ren
vgl. „Ma­the­ma­tik I“ (BPE 1 und BPE 4)
  • in­tra­zel­lu­lär: Ek­lip­se­pha­se, Rei­fe­pha­se
  • ex­tra­zel­lu­lär: La­tenz­pha­se, ly­ti­sche Pha­se
  • Wurf­grö­ße

Vi­ren­ti­ter mit Be­rech­nun­gen, Be­stim­mung über Plaque-As­say
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“

BPE 8

Er­zeu­gung na­tür­li­cher ge­ne­ti­scher Va­ria­bi­li­tät

13

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler lei­ten aus bei­spiel­haf­ten his­to­ri­schen Ex­pe­ri­men­ten Ur­sa­chen und Be­deu­tung na­tür­li­cher ge­ne­ti­scher Va­ria­bi­li­tät für die Mi­kro­or­ga­nis­men selbst und für die Er­hal­tung der Art ab. Sie stel­len ex­em­pla­risch in­trin­si­sche und ex­trin­si­sche Ur­sa­chen und de­ren gen­ver­än­dern­de Wir­kung auf mo­le­ku­la­rer Ebe­ne dar. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern den ho­ri­zon­ta­len Gen­trans­fer und die sich dar­aus er­ge­ben­den Kon­se­quen­zen für die Zel­le ab. Die neu er­wor­be­nen Ei­gen­schaf­ten wer­den durch Se­lek­ti­on auf die­se Ei­gen­schaft oder mo­le­ku­lar­bio­lo­gisch nach­ge­wie­sen.

BPE 8.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler cha­rak­te­ri­sie­ren die Ent­ste­hung na­tür­li­cher ge­ne­ti­scher Va­ria­bi­li­tät von Mi­kro­or­ga­nis­men hin­sicht­lich ih­rer Ur­sa­chen und Be­deu­tung.

Schreib­feh­ler der DNA-Po­ly­me­ra­se, Mu­ta­ge­ne
5-Bro­mu­ra­cil, Sal­pe­tri­ge Säu­re, Akri­di­n­oran­ge
Ho­ri­zon­ta­ler Gen­trans­fer: Kon­ju­ga­ti­on, Trans­for­ma­ti­on, Trans­duk­ti­on
Über­tra­gung von Erb­in­for­ma­ti­on in­ner­halb ei­ner Ge­ne­ra­ti­on, z. T. auch über Art­gren­zen hin­weg
Se­lek­ti­ons­vor­teil, Kom­pen­sa­ti­on für feh­len­de se­xu­el­le Ver­meh­rung
z. B. Re­sis­ten­zen, Er­schlie­ßen neu­er Nähr­stoff­quel­len, Re­pa­ra­tur ne­ga­ti­ver Mu­ta­tio­nen, vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“, vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“

BPE 8.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler lei­ten mo­le­ku­la­re Aus­wir­kun­gen von Gen­mu­ta­tio­nen auf die Funk­ti­ons­tüch­tig­keit von Pro­te­inen ab.

Punkt­mu­ta­ti­on, Ba­sen­aus­tausch

Si­lent, stil­le Mu­ta­ti­on: Funk­ti­ons­er­halt

Mis­sen­se, Fehl­sinn­mu­ta­ti­on: Er­halt bis Ver­lust der Funk­ti­ons­tüch­tig­keit

Non­sen­se, Un­sinn­mu­ta­ti­on: Er­halt bis Ver­lust der Funk­ti­ons­tüch­tig­keit des Pro­te­ins

In­ser­ti­on und De­le­ti­on

  • bei Viel­zahl von drei: ent­spre­chen­de Ver­län­ge­rung bzw. Ver­kür­zung der Ami­no­säureket­te, Funk­ti­ons­er­halt bis ‑ver­lust
  • bei un­gleich Viel­zahl von drei: Le­se­ras­ter­mu­ta­ti­on, ab­hän­gig von der Po­si­ti­on, Funk­ti­ons­ein­schrän­kung bis ‑ver­lust

BPE 8.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern Ver­fah­ren zum Scree­ning und zur Iso­lie­rung von Mu­tan­ten.

Ex­pe­ri­ment: Ames-Test
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“
Scree­ningver­fah­ren für Stoff­wech­sel­pro­duk­te und Re­sis­ten­zen
Wie­der­ho­lung der Mu­ta­ge­ne­se und der Scree­nin­g-Schrit­te mit be­reits se­lek­tier­ten Mu­tan­ten, An­le­gen von Dau­er­kul­tu­ren des bes­ten Klons
Plat­tie­rung ei­ner gro­ßen An­zahl von Mu­tan­ten und Kul­ti­vie­rung un­ter se­lek­ti­ven Be­din­gun­gen, vgl. BPE 3

BPE 8.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern den kon­ju­ga­ti­ven DNA-Trans­fer mit­tels F-Plas­mids bei E. co­li so­wie des­sen Be­deu­tung.

Ex­pe­ri­ment: J. Le­der­berg und E. Tatum

Un­ter­schei­dung von F+- und F--Zel­len bzw. Do­nor und Re­zi­pi­ent

Kon­takt­auf­nah­me, An­nä­he­rung, Plas­ma­brü­cken­bil­dung, Über­tra­gung des F-Plas­mids, Tren­nung der Zel­len
Dau­er: Über­tra­gung ei­nes 100 kb gro­ßen F-Plas­mids, et­wa 5 min
Über­tra­gungs­vor­gang: Ein­zel­strang­bruch am oriT, Trans­fer der ss-D­NA des F-Plas­mids be­gin­nend mit 5'-En­de vom Do­nor zum Re­zi­pi­en­ten, Re­pli­ka­ti­on im Do­nor und im Re­zi­pi­en­ten, Ring­schluss

Er­werb neu­er, ex­trach­ro­mo­so­ma­ler Ei­gen­schaf­ten, ab­hän­gig von co­dier­ter In­for­ma­ti­on
i. d. R. da­nach Re­zi­pi­ent auch F+-Zel­le, Er­halt nur bei Se­lek­ti­ons­vor­teil, R-Plas­mi­de, Col-Plas­mi­de, de­gra­da­ti­ve Plas­mi­de, Vi­ru­lenz­plas­mi­de

BPE 8.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­glei­chen die Kon­ju­ga­ti­on von F-Plas­mi­den mit R-Plas­mi­den und dem Trans­fer bei Hfr-Stäm­men hin­sicht­lich be­tei­lig­ter Ar­ten, des Vor­gangs und der sich er­ge­ben­den Kon­se­quen­zen.

Über­tra­gung von R-Plas­mi­den: iden­ti­sche prin­zi­pi­el­le Schrit­te, nicht un­be­dingt Zu­ge­hö­rig­keit zur sel­ben Art, Ver­mitt­lung von Re­sis­ten­zen ge­gen ein oder meh­re­re An­ti­bio­ti­ka oder Wachs­tums­hem­mer
z. B. Schwer­me­tal­le
Hfr-Stäm­me: ho­mo­lo­ge Re­kom­bi­na­ti­on von Do­no­r-D­NA in die ge­no­mi­sche DNA des Re­zi­pi­en­ten, oh­ne Ab­bruch ggf. Über­tra­gung des gan­zen Ge­noms, neue Stoff­wech­sel­ei­gen­schaf­ten
An­wen­dung: Lo­ka­li­sa­ti­on von Ge­nen auf bak­te­ri­el­len Ge­no­men

BPE 8.6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler cha­rak­te­ri­sie­ren die Trans­duk­ti­on.

Ex­pe­ri­ment: Zin­der und Le­der­berg

Über­tra­gung von DNA-Frag­men­ten zwi­schen Bak­te­ri­en: Ver­pa­ckung auch bak­te­ri­el­ler DNA im Pha­gen, nach Frei­set­zung der Pha­gen In­va­si­on wei­te­rer Bak­te­ri­en und ho­mo­lo­ge Re­kom­bi­na­ti­on des DNA-Kon­strukts aus vi­ra­ler und bak­te­ri­el­ler DNA in das Ge­nom des nächs­ten Bak­te­ri­ums

BPE 8.7

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­schlie­ßen die prin­zi­pi­el­len Schrit­te der bak­te­ri­el­len Trans­for­ma­ti­on und die da­mit ver­bun­de­ne Re­kom­bi­na­ti­on ge­ne­ti­scher In­for­ma­ti­on an­hand ei­nes his­to­ri­schen Ex­pe­ri­ments.

Ex­pe­ri­ment: Avery und Grif­fith mit Strep­to­coc­cus S- und R-Zel­len
vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“
Auf­nah­me nack­ter DNA durch kom­pe­ten­te Zel­len, auch über Art­gren­zen hin­weg, Re­kom­bi­na­ti­on ins Ge­nom
z. B. bei Nähr­stoff­man­gel vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“, vgl. „Bio­tech­no­lo­gi­sches Prak­ti­kum“
Neue ge­ne­ti­sche Ei­gen­schaf­ten für den auf­neh­men­den Or­ga­nis­mus

Schul­jahr 2

Ver­tie­fung – In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen – Pro­jekt­un­ter­richt (VIP)

20

Ver­tie­fung

In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen

Pro­jekt­un­ter­richt

z. B.
Übun­gen
An­wen­dun­gen
Wie­der­ho­lun­gen
z. B.
Selbst­or­ga­ni­sier­tes Ler­nen
Lern­ver­ein­ba­run­gen
Bin­nen­dif­fe­ren­zie­rung
Bak­te­ri­el­le Brenn­stoff­zel­le
Bio­gas­an­la­ge
Quo­rum sen­sing am Bei­spiel der Bio­lu­mi­nes­zenz bei Vi­brio fi­sche­ri und V. har­veyi
Bio­lo­gi­sche Klär­an­la­ge
Die The­men­aus­wahl des Pro­jekt­un­ter­richts hat aus den nach­fol­gen­den Bil­dungs­plan­ein­hei­ten un­ter Be­ach­tung fä­cher­ver­bin­den­der As­pek­te zu er­fol­gen.

BPE 9

Ae­ro­be Dis­si­mi­la­ti­on

20

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­ste­hen, dass Stoff­wech­sel­leis­tun­gen Kenn­zei­chen al­ler Le­be­we­sen und Grund­la­ge für die bio­tech­no­lo­gi­sche Pro­duk­ti­on sind. Sie er­ken­nen, dass die Ge­ne­rie­rung zel­lu­lär nutz­ba­rer Ener­gie in Form von ATP die Vor­aus­set­zung für den Ab­lauf end­ergo­ni­scher Prozes­se ist. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler wen­den ih­re Kennt­nis­se über­ge­ord­ne­ter, wie­der­keh­ren­der Stoff­wech­sel-Prin­zi­pi­en auch auf un­be­kann­te Stoff­wech­sel­pro­zes­se an und er­fas­sen de­ren bio­lo­gi­sche Be­deu­tung.

BPE 9.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen Stoff­wech­sel­ab­schnit­te der ae­ro­ben Dis­si­mi­la­ti­on und be­schrei­ben de­ren bio­lo­gi­sche Be­deu­tung. Sie stel­len die Bi­lanz­re­ak­ti­ons­glei­chung der ae­ro­ben Dis­si­mi­la­ti­on dar.

Gly­c­o­ly­se, oxi­da­ti­ve De­c­ar­boxy­lie­rung, Ci­trat­zy­klus, At­mungs­ket­te
Koh­len­stoff­kreis­lauf: ae­ro­be Dis­si­mi­la­ti­on und Fo­to­syn­the­se, vgl. BPE 10
Bio­lo­gi­sche Be­deu­tung: Ge­win­nung von Sub­stra­ten
En­er­gie­äqui­va­len­ten: AT­P/ADP, GT­P/GDP, Pi
Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­ten: NAD+/NADH+H+, FA­D/FADH2 für Ana­bo­lis­mus
Pi: an­or­ga­ni­sches Phos­phat
Stoff­bi­lanz in Sum­men­for­mel­schreib­wei­se

BPE 9.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­nen­nen En­zym­klas­sen, be­schrei­ben de­ren Wir­kungs­wei­se an­hand von Bei­spie­len und be­nen­nen die ent­spre­chen­den Re­ak­ti­ons­ty­pen.

Ox­ido­re­dukta­sen, Trans­fe­ra­sen, Hy­dro­la­sen, Lya­sen, Iso­me­ra­sen, Li­ga­sen
vgl. „Bio­lo­gie“, vgl. „Bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“
Oxi­da­ti­on, Re­duk­ti­on
Hy­drie­rung, De­hy­drie­rung
Phos­pho­ry­lie­rung, De­phos­pho­ry­lie­rung
Hy­dro­ly­se, Kon­den­sa­ti­on
Car­boxy­lie­rung, De­c­ar­boxy­lie­rung
Ad­di­ti­on an Dop­pel­bin­dung
Hy­dra­ti­sie­rung, De­hy­dra­ti­sie­rung
Iso­me­ri­sie­rung

Oxi­da­ti­ons­zah­len
vgl. „Che­mie“

BPE 9.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len die Gly­k­o­ly­se im Über­blick dar und lei­ten aus vor­lie­gen­den Re­ak­tio­nen Re­ak­ti­ons­ty­pen, En­zym­klas­sen, feh­len­de Me­ta­bo­li­te oder Co­fak­to­ren ab. Sie skiz­zie­ren die bio­lo­gi­sche Be­deu­tung der Gly­k­o­ly­se.

Lo­ka­li­sa­ti­on

Re­ak­ti­ons­schrit­te: Me­ta­bo­li­te in Struk­tur­for­meln
vgl. For­mel­samm­lung
En­er­gie‑, Elek­tro­nen- und Pro­to­nen­über­trä­ger: Co­fak­to­ren in Kurz­schreib­wei­se
Do­no­r-Ak­zep­tor-Prin­zip, Prin­zip der En­er­gie­kopp­lung

Bio­lo­gi­sche Be­deu­tung, Ge­samt­re­ak­ti­ons­bi­lanz: Stoff­bi­lanz, En­er­gie- und Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­te
Sum­men­for­mel­schreib­wei­se

BPE 9.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler fas­sen die Re­ak­tio­nen der oxi­da­ti­ven De­c­ar­boxy­lie­rung und ih­re bio­lo­gi­sche Be­deu­tung zu­sam­men.

Lo­ka­li­sa­ti­on
Pro‑, Eu­ka­ryo­ten
Py­ru­va­t-Car­ri­er
Py­ru­va­t-De­hy­dro­ge­na­se-Kom­plex, Co­fak­to­ren
Mul­ti­en­zym­kom­plex
Bio­lo­gi­sche Be­deu­tung: De­c­ar­boxy­lie­rung, Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­te, Ak­ti­vie­rung: HS-CoA, Ace­ty­l-S-CoA
Co­en­zym A
Bi­lanz­re­ak­ti­ons­glei­chung

BPE 9.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len den Ci­trat­zy­klus im Über­blick dar. Sie lei­ten aus vor­lie­gen­den Re­ak­tio­nen die feh­len­den Co­fak­to­ren und Me­ta­bo­li­te, die En­zym­klas­sen der be­tei­lig­ten En­zy­me und die Re­ak­ti­ons­ty­pen be­grün­det ab. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern bei vor­lie­gen­den Re­ak­tio­nen des Ci­trat­zy­klus Prin­zi­pi­en des Stoff­wech­sels und stel­len die En­er­gie­bi­lanz des Ci­trat­zy­klus mit ATP und Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­ten dar. Sie be­schrei­ben die Be­deu­tung des Ci­trat­zy­klus und er­läu­tern die Not­wen­dig­keit auf­fül­len­der Re­ak­tio­nen.

Lo­ka­li­sa­ti­on, Kreis­pro­zess
Pro‑, Eu­ka­ryo­ten im Ver­gleich
Bio­lo­gi­sche Be­deu­tung: De­c­ar­boxy­lie­run­gen, voll­stän­di­ge Oxi­da­ti­on, Ak­zep­tor-Re­ge­ne­ra­ti­on, Aus­gangs­punkt für Bio­syn­the­sen, En­er­gie‑, Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­te, auf­fül­len­de Re­ak­ti­on: Py­ru­va­t-C­ar­boxy­la­se
vgl. BPE 11 und BPE 13
GTP äqui­va­lent zu ATP

BPE 9.6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern die Kom­par­ti­men­tie­rung als Vor­aus­set­zung für die AT­P-Syn­the­se mit­hil­fe der che­mio­s­mo­ti­schen Theo­rie. Sie be­grün­den an­hand des Re­dox­po­ten­zi­als die Rich­tung des Elek­tro­nen­trans­ports bei vor­ge­ge­be­nen Re­dox­paa­ren. Sie er­läu­tern die bio­lo­gi­sche Be­deu­tung der At­mungs­ket­te und er­mit­teln die Ge­samt­re­ak­ti­ons­bi­lanz der ae­ro­ben Dis­si­mi­la­ti­on.

Lo­ka­li­sa­ti­on
Pro‑, Eu­ka­ryo­ten im Ver­gleich
Elek­tro­nen­trans­port­ket­te, Pro­to­nen­pum­pen, AT­P-Syntha­se

Che­mio­s­mo­se: Re­dox­sys­te­me, Elek­tro­nen­über­tra­gung, Pro­to­nen­pum­pen, elek­tro­che­mi­scher Pro­to­nen­gra­di­ent, oxi­da­ti­ve Phos­pho­ry­lie­rung
Kon­zen­tra­ti­ons­gra­di­ent, vgl. „Che­mie“
De­fi­ni­ti­on: Re­dox­po­ten­zi­al
Elek­tro­nen­af­fi­ni­tät, vgl. „Che­mie“
Bio­lo­gi­sche Be­deu­tung, Ge­samt­re­ak­ti­ons­bi­lanz: Oxi­da­ti­on der Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­te, Re­ge­ne­ra­ti­on von NAD+ und FAD, En­er­gie­ge­winn: 38 mol ATP pro mol Glu­co­se
ver­rin­ger­te Aus­beu­te durch z. B. Trans­port­vor­gän­ge

BPE 10

An­ae­ro­be Dis­si­mi­la­ti­on

6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­ken­nen Kon­se­quen­zen für den Stoff­wech­sel, wenn mo­le­ku­la­rer Sau­er­stoff als Elek­tro­nen­ak­zep­tor fehlt, und ler­nen zwei Bei­spie­le für an­ae­ro­be Dis­si­mi­la­ti­on ken­nen.

BPE 10.1

Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern die ho­mo­fer­men­ta­ti­ve Milch­säu­re­gä­rung von Lac­to­ba­cil­lus-Ar­ten.

Milch­säu­re­gä­rung in Struk­tur­for­meln: Gly­c­o­ly­se, Re­duk­ti­on von Py­ru­vat zu Lac­tat

BPE 10.2

Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­glei­chen die al­ko­ho­li­sche Gä­rung bei Sac­cha­ro­my­ces ce­re­vi­siae mit der Milch­säu­re­gä­rung und ver­glei­chen ae­ro­ben und an­ae­ro­ben Stoff­wech­sel in ei­ner En­er­gie- und Stoff­bi­lanz.

Al­ko­ho­li­sche Gä­rung in Struk­tur­for­meln: Gly­c­o­ly­se, De­c­ar­boxy­lie­rung von Py­ru­vat zu Ace­tal­de­hyd, Re­duk­ti­on von Ace­tal­de­hyd zu Etha­nol
vgl. „Mi­kro­bio­lo­gi­sches Prak­ti­kum“, vgl. „Bio­tech­no­lo­gie“
Ver­gleichs­kri­te­ri­en: End­pro­duk­te mit che­mi­schen Ei­gen­schaf­ten, En­er­gie­bi­lanz, Not­wen­dig­keit für zel­lu­lä­ren Stoff­wech­sel

En­er­gie- und Stoff­bi­lanz von an­ae­robem mit ae­robem Stoff­wech­sel ein­schließ­lich Wir­kungs­grad­be­rech­nung

BPE 11

Be­son­de­re Sei­ten­we­ge des Stoff­wech­sels

7

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben ex­em­pla­risch bak­te­ri­el­le Stoff­wech­sel­we­ge, die für die Viel­falt mi­kro­bi­el­ler Bio­che­mie ste­hen. Sie stel­len die Re­ak­ti­ons­we­ge in Struk­tur­for­melschreib­wei­se dar. Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­ken­nen Zu­sam­men­hän­ge mit der bio­tech­no­lo­gi­schen Pro­duk­ti­on.

BPE 11.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben den Auf- und Ab­bau der glu­co­plas­ti­schen Ami­no­säu­re L-Glut­amin­säu­re bei Pro­ka­ryo­ten und stel­len die Ver­knüp­fung mit den ih­nen be­kann­ten Stoff­wech­sel­we­gen dar.

Auf­bau von L-Glut­amin­säu­re: re­duk­ti­ve Ami­nie­rung in Struk­tur­for­meln, Ver­knüp­fung mit Ci­trat­zy­klus
vgl. BPE 13
Ab­bau von L-Glut­amin­säu­re: oxi­da­ti­ve Des­a­mi­nie­rung, Re­ak­ti­on mit Struk­tur­for­meln

BPE 11.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len den Stoff­wech­sel zum Spei­cher­stoff Po­ly-3-hy­droxy­bu­ty­rat (Po­ly(3H­B)) dar.

Stoff­wech­sel­weg aus­ge­hend von Ace­ty­l-CoA zum Po­ly-3-hy­droxy­bu­ty­rat in Struk­tur­for­meln

An­wen­dung als bio­lo­gisch ab­bau­ba­res Po­ly­mer

BPE 12

Mi­kro­bi­el­le Öko­lo­gie am Bei­spiel des Ele­ments Stick­stoff

7

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len den bio­geo­che­mischen Kreis­lauf von Stick­stoff dar und er­läu­tern des­sen Be­deu­tung für die be­leb­te und un­be­leb­te Um­welt. Sie be­schrei­ben am Bei­spiel Bo­den den Auf­bau ei­nes mi­kro­bi­el­len Ha­bi­tats und stel­len die grund­sätz­li­che Rol­le von Mi­kro­or­ga­nis­men im Bo­den dar. Sie erklä­ren die Funk­ti­on der Mi­kro­or­ga­nis­men bei ein­zel­nen Teil­schrit­ten des Stick­stoff­kreislaufs un­ter Be­rück­sich­ti­gung deren Stoff­wech­sel­leis­tun­gen.

BPE 12.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­glei­chen die bio­geo­che­mi­schen Kreis­läu­fe von Koh­len­stoff und Stick­stoff sche­ma­tisch an­hand von Schau­bil­dern.

Bio­geo­che­mi­sche Kreis­läu­fe von Koh­len­stoff, Stick­stoff
vgl. „Bio­lo­gie“
Kreis­pro­zess, Pro­du­zen­ten, Kon­su­men­ten, De­stru­en­ten, Fi­xie­rung

BPE 12.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben ex­em­pla­risch den Auf­bau des mi­kro­bi­el­len Ha­bi­tats Bo­den und er­läu­tern die grund­sätz­li­che Be­deu­tung von Mi­kro­or­ga­nis­men in die­sem Ha­bi­tat.

De­fi­ni­ti­on Ha­bi­tat

Bo­den als Stand­ort für Mi­kro­or­ga­nis­men: Bo­den­feuch­te, Salz­ge­hal­te, Sau­er­stoff­ge­hal­te

Pil­ze, Bak­te­ri­en, Ver­tei­lung im Bo­den, Bo­den­ver­bes­se­rung durch Mi­kro­or­ga­nis­men
z. B. Mi­ne­ra­li­sa­ti­on, Ab­bau von or­ga­ni­schem Ma­te­ri­al, Hu­mus­bil­dung

BPE 12.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern die Ni­tri­fi­ka­ti­on und De­ni­tri­fi­ka­ti­on im Zu­sam­men­hang mit dem Stick­stoff­kreis­lauf un­ter Be­rück­sich­ti­gung der Stoff­wech­sel­leis­tun­gen an­ae­rober bzw. ae­rober Mi­kro­or­ga­nis­men.

Stick­stoff­fi­xie­rung durch frei le­ben­de und sym­bio­ti­sche Mi­kro­or­ga­nis­men
Ver­gleich zu Ha­ber-Bosch-Ver­fah­ren
Be­tei­lig­te Ver­bin­dun­gen dif­fun­die­ren zwi­schen ae­ro­ben und an­ae­ro­ben Be­rei­chen

Ni­tri­fi­ka­ti­on: Am­mo­nia­k­oxi­da­ti­on über Ni­trit zu Ni­trat (ae­ro­be Mi­kro­or­ga­nis­men), Re­duk­ti­on durch An­ae­ro­bier zu mo­le­ku­la­rem Stick­stoff (De­ni­tri­fi­ka­ti­on)
z. B. bio­lo­gi­sche Ab­was­ser­rei­ni­gung
Io­nen als Form des Stick­stoffs zur As­si­mi­la­ti­on durch Pflan­zen

BPE 13

In­dus­tri­el­le Mi­kro­bio­lo­gie

10

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben anhand von Bei­spie­len die Rol­le von Mi­kro­or­ga­nis­men in der in­dus­tri­el­len Mi­kro­bio­lo­gie. Der Un­ter­schied zwi­schen Wild­stäm­men und Pro­duk­ti­ons­stäm­men wird von ihnen ana­ly­siert. Am Bei­spiel der Glut­amat­pro­duk­ti­on er­läu­tern die Schü­le­rin­nen und Schü­ler die bio­che­mi­schen Syn­thesen, die Re­gu­la­ti­on der Bil­dung so­wie die Aus­schei­dung des Pro­dukts ins Me­di­um. Au­ßer­dem wer­den Ver­fah­ren zur Pro­duk­ti­ons­kon­trol­le von den Schü­le­rin­nen und Schü­lern dar­ge­stellt.

BPE 13.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler for­mu­lie­ren ei­nen Über­blick der Ver­än­de­run­gen im Pro­duk­ti­ons­stamm zur Op­ti­mie­rung der Pro­dukt­aus­beu­te. Sie stel­len die Un­ter­schie­de von Pro­duk­ti­ons­stäm­men zu den ur­sprüng­li­chen Wild­stäm­men dar.

Si­cher­heit: GRAS-S­ta­tus (Ge­ne­ral­ly Re­co­gni­zed As Sa­fe)

Un­ge­rich­te­te Mu­ta­ge­ne­se, op­ti­mier­te Gen­re­gu­la­ti­on, Gen­du­pli­ka­ti­on

Ver­bes­ser­te Sub­strat­auf­nah­me, Be­reit­stel­lung bio­che­mi­scher Vor­stu­fen und Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­ten, Auf­he­bung li­mi­tie­ren­der Bio­syn­the­se­schrit­te, Ver­hin­de­rung der Ne­ben­pro­dukt­bil­dung, ver­bes­ser­ter Ex­port, Ver­hin­de­rung des Ab­baus

Ver­gleichs­kri­te­ri­en: Ge­fähr­dun­gen, ge­setz­li­che Re­ge­lun­gen, Ak­zep­tanz, Pro­dukt­aus­beu­te, Kul­ti­vie­rung

BPE 13.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern Ver­än­de­run­gen in bio­che­mi­schen Ab­läu­fen im Pro­duk­ti­ons­stamm so­wie op­ti­mier­te Pro­duk­ti­ons­be­din­gun­gen zur bio­tech­no­lo­gi­schen Ge­win­nung von Glut­amat.

Anap­le­ro­ti­sche Re­ak­tio­nen: Py­ru­va­t-C­ar­boxy­la­se und Phos­pho­e­nol­py­ru­va­t-C­ar­boxy­la­se

Re­gu­la­ti­on: Ak­ti­vi­tät der Ke­to­glut­a­ra­t-De­hy­dro­ge­na­se

Ex­port­pro­te­in mit er­höh­ter Ak­ti­vi­tät

Pro­duk­ti­ons­be­din­gun­gen: Sta­bi­li­sie­rung des pH-Werts durch Ba­sen­zu­ga­be, aus­rei­chen­de Ver­sor­gung mit Sau­er­stoff und Am­mo­ni­ak

BPE 13.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler skiz­zie­ren Me­tho­den der Über­wa­chung des mi­kro­bi­el­len Pro­duk­ti­ons­pro­zes­ses und ver­glei­chen die Kon­troll­ver­fah­ren.

Hy­gie­ne- und Kon­ta­mi­na­ti­ons­kon­trol­len: Ab­klatsch­pro­ben, Mi­kro­sko­pie, In­di­ka­torn­ähr­bö­den, PCR
vgl. BPE 5
Be­stim­mung von Zell­zahl- bzw. Bio­mas­sen­kon­zen­tra­ti­on
vgl. BPE 4.1
Bestimmung von: \(v\), \(\mu\) und \(\mu\)max, \(t_D\) und \(g\)
vgl. BPE 4.4
Kri­te­ri­en: Ge­nau­ig­keit, Auf­wand

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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