Suchfunktion

Bio­tech­no­lo­gie

Vor­be­mer­kun­gen

Ein­gangs­klas­se

Ver­tie­fung – In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen – Pro­jekt­un­ter­richt (VIP)

20

Ver­tie­fung

In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen

Pro­jekt­un­ter­richt

z. B.
Übun­gen
An­wen­dun­gen
Wie­der­ho­lun­gen
z. B.
Selbst­or­ga­ni­sier­tes Ler­nen
Lern­ver­ein­ba­run­gen
Bin­nen­dif­fe­ren­zie­rung
z. B.
Ge­win­nung ei­ner Rein­kul­tur – his­to­ri­sche Be­trach­tung der Mi­kro­bio­lo­gie (mit La­bor­übun­gen)
Bier­her­stel­lung, Kä­se­her­stel­lung nach tra­di­tio­nel­len Ver­fah­ren (Re­cher­che und La­bor­übun­gen)
Ex­kur­si­on
Die The­men­aus­wahl des Pro­jekt­un­ter­richts hat aus den nach­fol­gen­den Bil­dungs­plan­ein­hei­ten un­ter Be­ach­tung Fä­cher ver­bin­den­der As­pek­te zu er­fol­gen.

BPE 1

An­wen­dungs­ge­bie­te der Bio­tech­no­lo­gie

6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ler­nen an­hand von Bei­spie­len die viel­fäl­ti­gen Ar­beits­fel­der so­wie die wirt­schaft­li­che und die ge­sell­schaft­li­che Be­deu­tung der Bio­tech­no­lo­gie ken­nen. Sie ver­ste­hen die Bio­tech­no­lo­gie als na­tur­wis­sen­schaft­li­che Dis­zi­plin, die na­tür­lich vor­kom­men­de Pro­zes­se nutzt und in ver­schie­dens­ten Be­rei­chen des Le­bens zum Ein­satz kommt. In der Aus­ein­an­der­set­zung mit his­to­ri­schen As­pek­ten er­ken­nen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler aber auch, dass die Bio­tech­no­lo­gie die kul­tu­rel­le Ent­wick­lung des Men­schen mit ge­prägt hat.

BPE 1.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben klas­si­sche und mo­der­ne An­wen­dun­gen der Bio­tech­no­lo­gie und lei­ten dar­aus de­ren Be­deu­tung für die Ge­sell­schaft ab. Sie er­mit­teln den Be­deu­tungs­um­fang des Be­griffs Bio­tech­no­lo­gie.

Bio­tech­no­lo­gi­sche Ver­fah­ren, An­wen­dungs­ge­bie­te
Ge­schich­te der Bio­tech­no­lo­gie
  • tra­di­tio­nel­le Bio­tech­no­lo­gie

  • mo­der­ne Ver­fah­ren: Gen­tech­no­lo­gie
z. B. Um­welt­bio­tech­no­lo­gie, An­ti­kör­per
Ar­beits­fel­der, Be­deu­tungs­um­fang
Be­rufs­ori­en­tie­rung: Tä­tig­kei­ten im Be­reich „Life Sci­en­ces“; in­ter­dis­zi­pli­när, an­ge­wandt, Pro­duk­ti­on
  • Me­di­zi­ni­sche Bio­tech­no­lo­gie
„ro­te“ Bio­tech­no­lo­gie: Impf­stof­fe
  • „Grü­ne“ Bio­tech­no­lo­gie
trans­ge­ne Pflan­zen
  • „Wei­ße“ Bio­tech­no­lo­gie
Zu­satz­stof­fe, En­zy­me
  • Um­welt­bio­tech­no­lo­gie
Klär­an­la­ge

BPE 2

Zel­len und En­zy­me in der klas­si­schen und mo­der­nen Bio­tech­no­lo­gie

44

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­ken­nen die Be­deu­tung von Mi­kro­or­ga­nis­men für klas­si­sche und mo­der­ne bio­tech­no­lo­gi­sche Ver­fah­ren. Sie ver­ste­hen, dass Zel­len und En­zy­me als Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren ge­zielt für die Um­wand­lung von Eduk­ten zu Pro­duk­ten ein­ge­setzt wer­den. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­ken­nen zu­dem, dass En­zy­me und 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, auch ver­än­der­ba­re Raum­struk­tur ei­nes Pro­te­ins sei­ne Funk­ti­on er­mög­licht. Da­mit wird den Schü­le­rin­nen und Schü­lern der Zu­sam­men­hang zwi­schen zel­lu­lä­ren Funk­tio­nen als Kenn­zei­chen von Le­be­we­sen und mo­le­ku­la­ren Struk­tu­ren und de­ren Wech­sel­wir­kun­gen ver­deut­licht. Auf die­ser Ba­sis sind sie in der La­ge, die Funk­ti­on von En­zy­men als Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren zu er­fas­sen und grund­le­gen­de Prin­zi­pi­en der bio­tech­no­lo­gi­schen Pro­duk­ti­on zu er­fah­ren. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­ste­hen, dass für ei­ne Op­ti­mie­rung sol­cher Pro­zes­se Or­ga­nis­men un­ter be­stimm­ten Um­stän­den gen­tech­nisch ver­än­dert wer­den.

BPE 2.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben ex­em­pla­risch die Viel­falt der in der Na­tur vor­kom­men­den Mi­kro­or­ga­nis­men und be­ur­tei­len de­ren Be­deu­tung für Mensch und Um­welt. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler un­ter­su­chen Mi­kro­or­ga­nis­men hin­sicht­lich ih­rer Struk­tur und Vi­ta­li­tät und stel­len Zel­len als de­ren Bau- und Funk­ti­ons­ein­hei­ten dar.

Bak­te­ri­en, Pil­ze, Al­gen
Ar­chaea, Bac­te­ria; He­fen; Mi­kro‑, Ma­kro­al­gen
Pro- und Eu­ka­ryot

  • Form, Grö­ße

  • in­di­vi­du­el­le Stoff­wech­sel­leis­tun­gen
z. B. Fo­to­syn­the­se, At­mung, Gä­run­gen
Stoff­kreis­lauf: Mi­kro­or­ga­nis­men als Pro­du­zen­ten, Kon­su­men­ten, De­stru­en­ten
z. B. Stick­stof­f-Kreis­lauf
Mi­ne­ra­li­sie­rer
Klas­si­sche Bio­tech­no­lo­gie

  • Milch­säu­re‑, Es­sig­bak­te­ri­en
Jo­ghurt, Es­sig
  • He­fen, Schim­mel­pil­ze
Etha­nol, Zi­tro­nen­säu­re, An­ti­bio­ti­ka
Zel­le als mi­kro­bi­el­le Bau- und Funk­ti­ons­ein­heit
Mi­kro­sko­pie
  • ein­zel­li­ge He­fen, Bak­te­ri­en
z. B. Milch­säu­re­bak­te­ri­en aus Jo­ghurt
  • Knos­pung, Quer­tei­lung
Kenn­zei­chen des Le­bens: Ver­meh­rung
  • Vi­ta­li­täts­fär­bung
Kenn­zei­chen des Le­bens: Stoff­trans­port, ‑wech­sel
Auf­bau ei­ner Pro‑, Eu­cy­te

BPE 2.2

Aus­ge­hend von Ver­fah­ren der klas­si­schen Bio­tech­no­lo­gie lei­ten die Schü­le­rin­nen und Schü­ler die Funk­ti­on der Mi­kro­or­ga­nis­men bei Pro­duk­ti­ons­pro­zes­sen ab und be­grün­den den Ein­satz von Rein­kul­tu­ren. Sie be­schrei­ben Me­tho­den zur Ge­win­nung und zum Ein­satz von Rein­kul­tu­ren zu Pro­duk­ti­ons­zwe­cken.

His­to­ri­sche Etha­nol­pro­duk­ti­on, Lou­is Pas­teur
Ex­kur­si­on
  • Wein­he­fe: al­ko­ho­li­sche Gä­rung

  • He­fe-Kul­ti­vie­rung, Pro­duk­ti­on von Wein

  • Ver­fah­ren zur Ste­ril­kul­tur

Ge­win­nung ei­ner Rein­kul­tur
Ver­su­che: z. B. Milch­säu­re­bak­te­ri­en aus Jo­ghurt
  • Si­cher­heits­vor­keh­run­gen im La­bor
Bio­S­toffV, RiSU
  • Pro­ben­nah­me

  • Nähr­me­di­en, Se­lek­ti­on

  • Ver­ein­ze­lung, Ei­gen­schaf­ten
Ver­dün­nungs­aus­strich
Nähr­me­di­en
für che­mo-or­ga­no-he­tero­tro­phe Or­ga­nis­men
  • Kom­plex­me­di­um, de­fi­nier­tes Me­di­um

  • Mi­ni­mal‑, Se­lek­tiv‑, Dif­fe­ren­ti­al­me­di­um

  • Be­stand­tei­le: En­er­gie­quel­le, Nähr­stof­fe, Sal­ze, Spu­ren­ele­men­te
z. B. Glu­co­se als C-Quel­le und En­er­gie­lie­fe­rant; N‑, P‑, S-Quel­len; Co­fak­to­ren
Kul­ti­vie­rungs­tech­ni­ken

  • ste­ri­les Ar­bei­ten
Ge­win­nung und beim Ein­satz von Rein­kul­tu­ren
  • Des­in­fek­ti­on, Ste­ri­li­sa­ti­on
Be­hand­lung mit 70% Etha­nol; Au­to­kla­vie­ren
  • Wachs­tums­kon­trol­le: Wachs­tums­kur­ve
Ver­su­che: OD-Mes­sung

BPE 2.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler in­ter­pre­tie­ren Ei­gen­schaf­ten von Mi­kro­or­ga­nis­men als Rea­li­sa­ti­on von ge­ne­ti­schen In­for­ma­tio­nen und be­schrei­ben das zen­tra­le Dog­ma der Mo­le­ku­lar­bio­lo­gie.

Ein­fa­che Phä­no­ty­p-Ge­no­ty­p-Be­zie­hun­gen
Ein-Gen-ein-En­zym-Hy­po­the­se, N. cras­sa
Gen­be­griff
ver­ein­facht: Ein-Gen-ein-Po­ly­pep­ti­d-Hy­po­the­se
Zen­tra­les Dog­ma der Mo­le­ku­lar­bio­lo­gie
ver­ein­fach­te sche­ma­ti­sche Dar­stel­lung
  • Prin­zip der DNA-Re­pli­ka­ti­on: vor­la­gen­ge­steu­er­te DNA-Ver­viel­fäl­ti­gung
Kenn­zei­chen des Le­bens: Ver­er­bung
  • Be­deu­tung der Tran­skrip­ti­on: mR­NA als Ab­schrift ge­ne­ti­scher In­for­ma­ti­on
Gen­re­gu­la­ti­on
  • Be­deu­tung der Trans­la­ti­on: Pro­te­in­bio­syn­the­se, ge­ne­ti­scher Code
Uni­ver­sa­li­tät des ge­ne­ti­schen Codes als not­wen­di­ge Vor­aus­set­zung he­te­ro­lo­ger Ex­pres­si­on

BPE 2.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern die Be­deu­tung von Pro­te­inen für die Ei­gen­schaf­ten von Or­ga­nis­men und er­klä­ren die Funk­ti­ons­viel­falt von Pro­te­inen auf der Ba­sis ih­rer Struk­tur­viel­falt.

Funk­ti­ons­viel­falt, Bei­spiel­funk­tio­nen von Pro­te­inen: Struk­tur­pro­te­ine, En­zy­me
Trans­port‑, Si­gnal‑, Re­gu­la­tor­pro­te­ine; Kenn­zei­chen des Le­bens
Struk­tur­viel­falt von Pro­te­inen

  • Pri­mär­struk­tur: Ami­no­säu­re-Se­quen­zen, IU­PAC-Code; Strang­po­la­ri­tät
Bau­stein-Prin­zip, Kom­bi­na­to­rik
  • all­ge­mei­ne Ami­no­säu­re-Struk­tur­for­mel

  • Ami­no­säu­re-Ein­tei­lung nach Sei­ten­ket­ten
un­po­lar, po­lar un­ge­la­den, po­si­ti­v/ne­ga­tiv ge­la­den
  • Pep­tid­bin­dung
Kon­den­sa­ti­ons­re­ak­ti­on
  • Se­kun­där‑, Ter­ti­är‑, Quar­t­är­struk­tur
Mo­del­le zur Dar­stel­lung der Raum­struk­tur
Prin­zip Struk­tur und Funk­ti­on

  • Funk­ti­ons­trä­ger: 3D-Struk­tur
Ke­ra­ti­ne, Aqua­po­ri­ne
  • Schlüs­sel-Schlos­s-Prin­zip
En­zy­me
  • Kon­for­ma­ti­ons­än­de­rung

  • Funk­ti­ons­ver­lust durch De­na­tu­rie­rung
Tem­pe­ra­tur, Säu­re, Al­ko­hol

BPE 2.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die Be­deu­tung von Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren für bio­tech­no­lo­gi­sche Pro­duk­ti­ons­pro­zes­se und ver­glei­chen die Ver­wen­dung von Zel­len bzw. En­zy­men als Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren.

Bio­tech­no­lo­gi­scher Ein­satz

  • Le­bens­mit­tel­pro­duk­ti­on: Star­ter­kul­tu­ren

  • Kä­se­her­stel­lung: Chy­mo­sin

  • HFCS: Amy­la­sen, Iso­me­ra­sen
High Fruc­to­se Corn Sy­rup
  • Wasch­mit­telen­zy­me: Pro­tea­sen, Lipa­sen

Zel­lu­lä­re Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren: Re­ak­ti­ons­ket­ten
Milch­säu­re­gä­rung

BPE 2.6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler lei­ten aus Ver­su­chen die Funk­ti­on von En­zy­men als Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren ab.

Ver­su­che
z. B. Zer­set­zung von Harn­stoff, H2O2
Ak­ti­vie­rungs­en­er­gie, Um­satz­ra­te
En­er­gie-Re­ak­ti­ons­ver­lauf-Dia­gramm
Re­ak­ti­on über ver­än­der­ten Re­ak­ti­ons­weg
Sta­bi­li­sie­rung ei­nes Über­gangs­zu­stan­des
Ak­ti­ves Zen­trum: En­zym-Sub­stra­t-Kom­plex
ka­ta­ly­ti­sche Ober­flä­che; Wech­sel­wir­kun­gen
Sub­strat­spe­zi­fi­tät
kom­ple­men­tä­re Ober­flä­chen­struk­tu­ren; Af­fi­ni­tät
Wir­kungs­spe­zi­fi­tät
spe­zi­fi­sche Wech­sel­wir­kun­gen im ak­ti­ven Zen­trum
Tem­pe­ra­tur‑, pH-Wer­t-Op­ti­mum
Um­satz­ra­te – Tem­pe­ra­tur/pH-Wert – Dia­gramm
Ei­gen­schaf­ten ei­nes Ka­ta­ly­sa­tors
Re­ge­ne­ra­ti­on von Co­fak­to­ren er­for­der­lich

BPE 2.7

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len Hy­po­the­sen zur Op­ti­mie­rung der bio­tech­no­lo­gi­schen Ver­wen­dung von En­zy­men auf und nen­nen Ein­satz­mög­lich­kei­ten der Gen­tech­nik.

En­zym­ak­ti­vi­tät: Spe­zi­fi­tät, Sta­bi­li­tät
En­zy­me En­gi­nee­ring
En­zym­men­ge: Pro­duk­ti­on durch he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on mit ver­ein­fach­ter Iso­la­ti­on
Chy­mo­sin als La­baustausch­stoff, ethi­sche Dis­kus­si­on um Ein­satz von Käl­ber­lab

Jahr­gangs­stu­fe 1

Ver­tie­fung – In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen – Pro­jekt­un­ter­richt (VIP)

20

Ver­tie­fung

In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen

Pro­jekt­un­ter­richt

z. B.
Übun­gen
An­wen­dun­gen
Wie­der­ho­lun­gen
z. B.
Selbst­or­ga­ni­sier­tes Ler­nen
Lern­ver­ein­ba­run­gen
Bin­nen­dif­fe­ren­zie­rung
z. B.
Grip­pe­impf­stof­fe: vom Ei zu Vero­zel­len (wis­sen­schafts-his­to­ri­sche Be­trach­tung)
„Blue Ge­nes“-Ex­pe­ri­ment: Klo­nie­rung „oh­ne Gen­tech­nik“
An­wen­dungs­bei­spiel der Gen­tech­nik in der Me­di­zin (Ab­hand­lung mit Be­wer­tung)
Die The­men­aus­wahl des Pro­jekt­un­ter­richts hat aus den nach­fol­gen­den Bil­dungs­plan­ein­hei­ten un­ter Be­ach­tung Fä­cher ver­bin­den­der As­pek­te zu er­fol­gen.

BPE 3

Bio­tech­no­lo­gi­sche Ver­fah­ren in der Me­di­zin: The­ra­pie und Dia­gnos­tik

50

Die Schü­le­rin­nen und Schü­lern ler­nen ver­schie­de­ne Ein­satz­mög­lich­kei­ten der Bio­tech­no­lo­gie in der me­di­zi­ni­schen Dia­gnos­tik und The­ra­pie ken­nen, die es heu­te und in Zu­kunft er­mög­li­chen wer­den, ge­zielt Krank­hei­ten zu dia­gnos­ti­zie­ren und in­di­vi­du­ell zu the­ra­pie­ren. Sie er­ken­nen, dass bei der me­di­zi­ni­schen Dia­gnos­tik und The­ra­pie ty­pi­sche Ver­fah­ren zum Ein­satz kom­men und dass vie­le die­ser Ver­fah­ren auf gen­tech­ni­schen Me­tho­den ba­sie­ren. Um gen­tech­ni­sche Me­tho­den ein­ord­nen zu kön­nen, er­ar­bei­ten sich die Schü­le­rin­nen und Schü­ler die prin­zi­pi­el­len Grund­la­gen zur Wei­ter­ga­be und Rea­li­sa­ti­on der ge­ne­ti­schen In­for­ma­ti­on in Zel­len und über­tra­gen die­se dann auf das in der bio­tech­no­lo­gi­schen Pro­duk­ti­on zen­tra­le Ver­fah­ren der he­te­ro­lo­gen Ex­pres­si­on.
Mit der Be­trach­tung der Me­tho­den zur DNA-Ty­pi­sie­rung ler­nen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler de­ren Po­ten­zi­al in Be­zug auf ei­ne ge­ne­ti­sche Dia­gnos­tik ken­nen. Sie er­ken­nen aber auch, dass sol­che Tech­no­lo­gi­en ne­ga­ti­ve Aus­wir­kun­gen ha­ben kön­nen. Dies ma­chen sich die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­wusst, in­dem sie zu Be­ginn und zum Ab­schluss der Ein­heit ei­ne Be­wer­tung gen­tech­ni­scher Me­tho­den im An­wen­dungs­be­reich Me­di­zin vor­neh­men. Da­bei voll­zie­hen sie ei­nen Lern­pro­zess, der sie er­ken­nen lässt, dass ei­ne ver­tief­te Aus­ein­an­der­set­zung mit den den Ver­fah­ren zu­grun­de­lie­gen­den Tech­no­lo­gi­en ei­ne un­ab­ding­ba­re Vor­aus­set­zung für ei­ne dif­fe­ren­zier­te Be­trach­tung und Be­wer­tung dar­stellt.

BPE 3.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­mit­teln An­wen­dungs­fel­der der Bio­tech­no­lo­gie im Be­reich der Me­di­zin und be­schrei­ben Ziel­set­zun­gen. Sie stel­len Bei­spie­le aus den An­wen­dungs­fel­dern dar und dis­ku­tie­ren de­ren Chan­cen und Ri­si­ken.

An­wen­dungs­fel­der in der Me­di­zin
Li­te­ra­tur- und In­ter­net­re­cher­che
  • Pro­phy­la­xe: Impf­stof­f-Pro­duk­ti­on
z. B. Grip­pe-Impf­stoff
  • Dia­gnos­ti­ka: Im­mun­glo­bu­lin-Pro­duk­ti­on
z. B. für ELISA-ba­sier­te Ver­fah­ren
  • Re­ge­ne­ra­ti­ve Me­di­zin: Pro­duk­ti­on in­di­vi­dua­li­sier­ter Stamm­zel­len, Ge­we­be
Pro­ble­ma­tik: Ge­we­be­ab­sto­ßung;
z. B. the­ra­peu­ti­sches Klo­nen, Xe­no­trans­plan­ta­te
  • The­ra­peu­ti­ka-Pro­duk­ti­on
z. B. In­su­lin, EPO, Wachs­tums­fak­to­ren, An­ti­kör­per
Prä­sen­ta­ti­on, Dis­kus­si­on, Be­wer­tung
Pro-Con­tra-Dis­kus­si­on

BPE 3.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler wer­ten An­wen­dungs­bei­spie­le hin­sicht­lich ty­pi­scher Ver­fah­ren aus. Sie be­schrei­ben prin­zi­pi­el­le Pro­zes­se zur Pro­duk­ti­on von the­ra­peu­ti­schen oder dia­gnos­ti­schen Pro­te­inen und lei­ten dar­aus die Not­wen­dig­keit gen­tech­ni­scher Ver­fah­ren ab.

Ver­fah­ren in der Me­di­zin
Prä­sen­ta­tio­nen, Fall­stu­di­en
Her­stel­lung von Grip­pe-Impf­stof­fen

  • klas­si­sche Her­stel­lung in Hüh­ner­ei­ern

  • Her­stel­lung in Zell­kul­tur mit Vero­zel­len

Impf­stof­f-Her­stel­lung in Bio­re­ak­to­ren
z. B. HBV-An­ti­gen in He­fe
Her­stel­lung po­ly­klo­na­ler An­ti­se­ren

Her­stel­lung mo­no­k­lo­na­ler An­ti­kör­per (MAK)

  • Hy­bri­do­ma­tech­nik

  • hu­ma­ni­sier­te, hu­ma­ni­den­ti­sche An­ti­kör­per
Pha­ge-Dis­play-Me­tho­de
Gen­tech­ni­sche Ver­fah­ren

  • Gen­dia­gnos­tik: PCR, DNA-Se­quen­zie­rung
z. B. für ge­ne­ti­sche Be­ra­tung, Tu­mor­zel­l-Ana­ly­se
  • gen­tech­ni­sche Pro­duk­ti­on von The­ra­peu­ti­ka: Pro­tein­pro­duk­ti­on durch he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on, the­ra­peu­ti­sches Klo­nen, Gen­the­ra­pie

Ver­fah­ren zur Pro­te­in-Pro­duk­ti­on in Bio­re­ak­to­ren

  • In­su­lin-Pro­duk­ti­on in Bak­te­ri­en

  • EPO-Pro­duk­ti­on in Säu­ger­zel­len
Gly­ko­sy­lie­rung von EPO

BPE 3.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben den Auf­bau von DNA, die Re­pli­ka­ti­on und die Wei­ter­ga­be von ge­ne­ti­scher In­for­ma­ti­on.

Trä­ger ge­ne­ti­scher In­for­ma­ti­on

  • Pro­ka­ryo­ten: Bak­te­ri­en­chro­mo­som, Plas­mi­de
F-Plas­mi­de
  • Eu­ka­ryo­ten: Chro­ma­tin bzw. Chro­mo­so­men, Plas­mi­de
Kern­ge­nom
He­fe-Plas­mi­de
Che­mi­scher Auf­bau von DNA

  • Bau­stei­ne: Des­oxy­ri­bo­se, Nu­kle­o­ba­sen, Phos­phat; Nu­kleo­tid
Nu­cleo­si­d-Tri­phos­phat
  • Po­ly­mer: Phos­pho­dies­ter­bin­dung
5'-Phos­phat‑, 3'-OH-Grup­pe
  • Dop­pel­strang: Kom­ple­men­ta­ri­tät, An­ti­par­al­le­li­tät
Was­ser­stoff­brü­cken
  • Raum­struk­tur: Dop­pel­he­li­x-Mo­dell

Dar­stel­lung von Nu­kle­in­säu­re-Se­quen­zen

  • IU­PAC-Code

  • Strang­po­la­ri­tä­ten

DNA-Re­pli­ka­ti­on
Kenn­zei­chen des Le­bens: Ver­er­bung
  • se­mi­kon­ser­va­ti­ver Me­cha­nis­mus: Re­pli­ka­ti­ons­bla­se, DNA Syn­the­se am Leit-und Fol­ge­strang, Re­plisom
Me­sel­son-S­tahl-Ver­such
  • Funk­ti­ons­ele­men­te re­pli­zier­ba­rer DNA: Re­pli­ka­ti­ons­ur­sprung (ORI); Te­lo­me­re
Ori­gin of Re­pli­ca­ti­on: un­ter­schied­li­che Con­sen­sus-Se­quen­zen bei Pro- und Eu­ka­ryo­ten
Kon­ju­ga­ti­on bei Bak­te­ri­en

  • F-Plas­mi­de als re­pli­zier­ba­re DNA-Ele­men­te

  • mul­ti­re­sis­ten­te Bak­te­ri­en­stäm­me, ho­ri­zon­ta­ler Gen­trans­fer
R-Plas­mi­de
Re­ver­se Tran­skrip­ti­on bei re­tro­vi­ra­ler Ver­meh­rung
HIV, Te­lo­me­ra­se
  • cD­NA
com­ple­men­ta­ry DNA
  • Re­ver­se Tran­skrip­ta­se
RNA-ab­hän­gi­ge DNA-Po­ly­me­ra­se
  • Vor­aus­set­zung für In­te­gra­ti­on
Ver­viel­fäl­ti­gung des Vi­ren­ge­noms: Tran­skrip­ti­on

BPE 3.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­glei­chen den Auf­bau von pro- und eu­ka­ryo­ti­schen Ge­nen und be­schrei­ben den prin­zi­pi­el­len Ab­lauf der Ge­n­ex­pres­si­on bei Pro- und Eu­ka­ryo­ten.

Gen­be­griff: Gen als Tran­skrip­ti­ons­ein­heit
rR­NA, tRNA als mög­li­ches Gen­pro­dukt, vgl. BPE 2
Pro­te­in­co­die­ren­des Gen: Struk­tu­ren, Funk­ti­ons­ele­men­te
In­for­ma­ti­ons­cha­rak­ter der DNA
  • co­die­ren­der Be­reich, Exons, In­trons
of­fe­nes Le­se­ras­ter (ORF)
  • tran­skri­bier­ter Be­reich, UTRs, Ter­mi­na­tor
un­trans­la­ted re­gi­on
  • Ri­bo­so­men­bin­dungs­stel­le; Cap­ping- und Po­lya­de­ny­lie­rungs­stel­le

  • Pro­mo­tor, Ope­ra­tor, En­han­cer, Si­len­cer
Prib­no­w-Box, TA­TA-Box
Prin­zi­pi­el­le Schrit­te der Ge­n­ex­pres­si­on
Rea­li­sa­ti­on der ge­ne­ti­schen In­for­ma­ti­on
  • Tran­skrip­ti­ons­in­itia­ti­on; Tran­skripto­som
Be­deu­tung für Gen­re­gu­la­ti­on
  • Tran­skrip­ti­on: RNA-Po­ly­me­ra­se, Ma­tri­zen- und Nich­t-Ma­tri­zen­strang, Ri­bo­nu­kleo­ti­de
„+1“-Stel­le als Tran­skrip­ti­ons­start
NTPs: Ge­misch aus ATP, CTP, GTP, UTP
  • post­tran­skrip­tio­na­le Mo­di­fi­ka­tio­nen: Spli­cing, Cap­ping, Po­lya­de­ny­lie­rung
Spli­cing: Er­zeu­gen ei­nes ORF
  • Trans­la­ti­on: Ri­bo­som mit A-P-E-S­tel­len, Ami­noacy­l-tRNAs, Ami­noacy­l-tRNA-Syn­the­ta­sen, mR­NA, Codon, An­ti­codon, ge­ne­ti­scher Code
Codon­ta­bel­le
  • post­trans­la­tio­na­le Mo­di­fi­ka­ti­on: Pro­te­in­fal­tung, Eu­ka­ryo­ten-ty­pi­sche Mo­di­fi­ka­tio­nen
Gly­ko­sy­lie­rung von z. B. Im­mun­glo­bu­li­nen, EPO

BPE 3.5

Aus Un­ter­schie­den im Gen­auf­bau, in der Wei­ter­ga­be und in der Rea­li­sa­ti­on ge­ne­ti­scher In­for­ma­ti­on lei­ten die Schü­le­rin­nen und Schü­ler Pro­blem­stel­lun­gen und Lö­sungs­an­sät­ze hin­sicht­lich he­te­ro­lo­ger Ex­pres­sio­nen ab.

Pro­blem­stel­lun­gen
Pro­duk­ti­on von Hu­man­in­su­lin in E. co­li
  • In­tron-Pro­ble­ma­tik: Re­ver­se Tran­skrip­ti­on, cD­NA
cD­NA als klo­nier­ba­re mR­NA-Ko­pie
  • Wirts­zel­le, Ex­pres­si­ons-S­teu­e­r­ele­men­te

He­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on: prin­zi­pi­el­le Schrit­te

  • Iso­la­ti­on der spe­zi­fi­schen RNA, cD­NA-Syn­the­se
Wahl ei­nes ge­eig­ne­ten Aus­gangs-Ge­we­bes oder ‑Zell­typs
  • vek­tor­ba­sier­ter Trans­fer der cD­NA in Wirts­zel­len, Re­pli­ka­ti­on
Plas­mi­de als re­pli­zier­ba­re DNA-Mo­le­kü­le, cD­NA als Trans­gen
  • Ex­pres­si­on der cD­NA mit­tels Wirts­zel­len-spe­zi­fi­scher Steu­e­r­ele­men­te
Wirts­zel­len-spe­zi­fi­scher Pro­mo­tor, Ter­mi­na­tor; Ri­bo­so­men­bin­dungs­stel­le

BPE 3.6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen Funk­ti­ons­ele­men­te ei­nes bak­te­ri­el­len Ex­pres­si­ons­vek­tors und er­läu­tern de­ren Be­deu­tung für ei­ne he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on. Sie be­schrei­ben prin­zi­pi­el­le Schrit­te ei­ner Klo­nie­rung in Bak­te­ri­en.

ORI
Ori­gin of Re­pli­ca­ti­on
MCS
Mul­ti­ple Clo­n­ing Si­te
Ex­pres­si­ons­kas­set­te: Pro­mo­tor, Ter­mi­na­tor
Pro­mo­tor meist re­gu­lier­bar über Ope­ra­tor
Se­lek­ti­ons­mar­ker
bla-Gen
Plas­mid­ba­sier­te Klo­nie­rung, prin­zi­pi­el­le Schrit­te
Ein­bau des Trans­gens in die Ex­pres­si­ons­kas­set­te
  • Prä­pa­ra­ti­on von Vek­tor- und In­ser­t-D­NA
Plas­mi­d-D­NA-I­so­la­ti­on; re­ver­se Tran­skrip­ti­on, PCR
  • Re­strik­ti­on von Vek­tor- und In­ser­t-D­NA
Ver­su­che: Re­strik­ti­ons­kar­tie­rung ei­nes Plas­mids
  • Li­ga­ti­on von Vek­tor und In­sert

  • Trans­for­ma­ti­on

  • Se­lek­ti­on und klo­na­le Ver­meh­rung von Trans­for­man­ten

BPE 3.7

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len die spe­zi­fi­sche En­do­nu­clea­se-Ak­ti­vi­tät von Re­strik­ti­ons­en­zy­men dar. Sie ana­ly­sie­ren die Be­deu­tung von Re­strik­ti­ons­en­zy­men für Klo­nie­run­gen.

Re­strik­ti­ons­en­zy­me
Ty­pII-Re­strik­ti­ons­en­do­nu­clea­sen
  • Re­strik­ti­ons­stel­le: spe­zi­fi­sches Se­quenz­mo­tiv, pa­lin­dro­misch

  • En­do­nu­clea­se-Ak­ti­vi­tät: Hy­dro­ly­se spe­zi­fi­scher Phos­phoes­ter­bin­dun­gen, sym­me­tri­sche Schnitt­füh­rung
sche­ma­ti­sche Dar­stel­lung an ent­spre­chen­den dsD­NA-Se­quenz­mo­ti­ven
  • Frag­men­t-En­den: glatt bzw. 5'- oder 3'-über­hän­gend, Li­ga­ti­ons-kom­pa­ti­bel
blunt ends, sti­cky ends

BPE 3.8

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len den Auf­bau des Lac-O­pe­rons dar und be­schrei­ben die re­gu­lier­te Ge­n­ex­pres­si­on bei Pro­ka­ryo­ten nach dem Prin­zip der Sub­strat­in­duk­ti­on. Sie be­schrei­ben des­sen An­wend­bar­keit auf ei­ne he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on und er­klä­ren Vor­tei­le ei­ner in­du­zier­ba­ren he­te­ro­lo­gen Ex­pres­si­on.

Ope­ron-Mo­dell: Sub­strat­in­duk­ti­on am Lac-O­pe­ron

  • Re­gu­la­t­or­gen, Re­gu­la­tor-Pro­te­in LacI; Pro­mo­tor, Ope­ra­tor; Struk­tur­ge­ne lacZ, la­cY
po­ly­cis­tro­ni­sches Tran­skript
la­cA: Funk­ti­on un­ge­klärt, evt. Ent­gif­tung
  • LacZ: ß-Ga­lac­to­si­da­se
Spal­tung der Lac­to­se
  • La­cY: Per­mea­se
Lac­to­se-Im­port
  • re­pri­mier­ter bzw. in­du­zier­ter Re­gu­la­ti­ons­zu­stand
Lac­to­se-in­du­zier­te Kon­for­ma­ti­ons­än­de­rung von LacI, vgl. BPE 2
  • bio­lo­gi­sche Be­deu­tung der Re­gu­la­ti­on: be­darfs­ge­rech­te En­zym­syn­the­se
Öko­no­mie-Prin­zip; En­er­gie­kos­ten der Ge­n­ex­pres­si­on
Plas­mid­vek­tor mit Lac-Ex­pres­si­ons­kas­set­te: spe­zi­fi­sche Funk­ti­ons­ele­men­te
Ex­pres­si­ons­vek­tor für ei­ne he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on
  • lacI-Re­gu­la­t­or­gen: LacI-Syn­the­se
kon­sti­tu­tiv ex­pri­miert
  • Lac-Pro­mo­tor und ‑Ope­ra­tor: In­duk­ti­on der Ex­pres­si­on
mit Lac­to­se oder nich­t-ab­bau­ba­rem Struk­tur­a­na­lo­gon IPTG
  • lac­Z-Gen­se­quenz mit in­te­grier­ter MCS: Ein­bau des Trans­gens; In­ser­ti­ons­kon­trol­le
X-Gal als chro­mo­ge­nes Sub­strat, „Blau-Wei­ß“-S­e­lek­ti­on
Vor­tei­le der In­du­zier­bar­keit

  • Ex­pres­si­ons­stär­ke
Ab­hän­gig­keit von der To­xi­zi­tät des Gen­pro­dukts
  • Zeit­punkt der Ex­pres­si­on
Zell­ver­meh­rung oh­ne Ex­pres­si­ons-be­ding­te nach­tei­li­ge Ef­fek­te

BPE 3.9

Die Schü­le­rinn­nen und Schü­ler nen­nen An­wen­dungs­fel­der der ge­ne­ti­schen Dia­gnos­tik. Sie er­läu­tern Ver­fah­ren der DNA-Ty­pi­sie­rung zur Dia­gno­se von Erb­krank­hei­ten und in­ter­pre­tie­ren Er­geb­nis­se sol­cher dia­gnos­ti­scher Ver­fah­ren.

An­wen­dungs­fel­der ge­ne­ti­scher Dia­gnos­tik
z. B. Dia­gno­se von Erb­krank­hei­ten, Va­ter­schafts­test
DNA-Ty­pi­sie­rung durch Po­ly­me­raseket­ten­re­ak­ti­on (PCR) und Ge­l­elek­tro­pho­re­se: STR-Ana­ly­se
Dia­gno­se von z. B. Cho­rea Hun­ting­ton
De­fi­ni­ti­on, Cha­rak­te­ri­sie­rung von STRs: Al­lel­be­griff
Short Tan­dem Re­peat
PCR

  • An­satz: Tem­pla­te-D­NA, STR-flan­kie­ren­den Pri­mern, ther­mo­sta­bi­ler Po­ly­me­ra­se, dNTPs, Puf­fer
dNTPs: Ge­misch aus Des­oxy­ri­bo­nu­kleo­ti­den dATP, dCTP, dGTP, dTTP
  • Ab­lauf: Tem­pe­ra­tur­pro­fil mit De­na­tu­rie­rung, Hy­bri­di­sie­rung, Elonga­ti­on
Ther­mo­cy­cler
  • zy­kli­sche Am­pli­fi­ka­ti­on

DNA-Ge­l­elek­tro­pho­re­se
Ana­ly­se der PCR-Frag­men­te
  • Auf­bau ei­nes Gels, Lauf­ver­hal­ten der DNA

  • DNA-De­tek­ti­on durch Farb­stof­fe: Ban­den

  • Län­gen­stan­dard: Frag­ment­län­gen

In­ter­pre­ta­ti­on des Elek­tro­phe­ro­gramms

  • Ban­den­an­zahl, Frag­ment­län­gen
he­te­ro­zy­got, ho­mo­zy­got; Al­lel­zu­ord­nung
  • Ge­no­typ, Phä­no­typ

DNA-Ty­pi­sie­rung durch Se­quen­zie­rung: Nach­weis von Punkt­mu­ta­tio­nen
Dia­go­se von z. B. cys­ti­scher Fi­bro­se, Si­chel­zel­lan­ämie
Punkt­mu­ta­tio­nen: stil­le Mu­ta­tio­nen, Non­sen­se- und Mis­sen­se‑, Ras­ter­schu­b-Mu­ta­tio­nen

Ket­ten­ab­bruch-Me­tho­de

  • An­satz: Tem­pla­te-D­NA, Pri­mer, DNA-Po­ly­me­ra­se, dNTPs, fluo­res­zenz­mar­kier­te dd­NTPs, Puf­fer; sta­tis­ti­scher Ket­ten­ab­bruch
dd­NTPs: Di­de­s­oxy­ri­bo­nu­cleo­ti­de
  • Ana­ly­se: ge­l­elek­tro­pho­re­ti­sche Tren­nung, fluo­res­zenz­ba­sier­te De­tek­ti­on

In­ter­pre­ta­ti­on des Elek­tro­phe­ro­gramms

  • Se­quenz­un­ter­schie­de: mu­tiert, nich­t-mu­tiert

  • ver­än­der­te Pri­mär­struk­tur des Pro­te­ins, Grad der Funk­ti­ons­ver­än­de­rung

  • Ge­no­typ, Phä­no­typ

BPE 3.10

Die Schü­le­rinn­nen und Schü­ler be­wer­ten ein An­wen­dungs­bei­spiel gen­tech­ni­scher Ver­fah­ren im Be­reich der Me­di­zin.

As­pek­te
an­ge­lehnt an Tech­nik­fol­gen­ab­schät­zung
  • Pro­blem­stel­lung, Be­grün­dung für das Ver­fah­ren

  • Dar­stel­lung der tech­ni­schen Um­set­zung

  • Bei­trag der Gen­tech­nik

  • Pro­ble­me, Ri­si­ken des Ver­fah­rens

  • Al­ter­na­ti­ven mit Be­wer­tung

Jahr­gangs­stu­fe 2

Ver­tie­fung – In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen – Pro­jekt­un­ter­richt (VIP)

16

Ver­tie­fung

In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen

Pro­jekt­un­ter­richt

z. B.
Übun­gen
An­wen­dun­gen
Wie­der­ho­lun­gen
z. B.
Selbst­or­ga­ni­sier­tes Ler­nen
Lern­ver­ein­ba­run­gen
Bin­nen­dif­fe­ren­zie­rung
z. B.
Al­ter­na­ti­ven zur klas­si­schen Grü­nen Gen­tech­nik
Er­zeu­gung von Nutz­pflan­zen mit dem CRISPR/Cas-Ver­fah­ren
Er­zeu­gung von Zell­kul­tu­ren, Ge­we­ben, Or­ga­nis­men über iPS- Zel­len
Ver­gleich von Bio­en­er­gie-Ver­fah­ren (Durch­füh­rung, Er­trag, Um­welt­bi­lanz)
Pro­ble­ma­tik und Me­tho­dik der Spu­ren­stof­f-Eli­mi­na­ti­on aus Ab­wäs­sern (Re­cher­che, La­bor­übun­gen)
Die The­men­aus­wahl des Pro­jekt­un­ter­richts hat aus den nach­fol­gen­den Bil­dungs­plan­ein­hei­ten un­ter Be­ach­tung Fä­cher ver­bin­den­der As­pek­te zu er­fol­gen.

BPE 4

An­wen­dung bio­tech­no­lo­gi­scher Ver­fah­ren in der Land­wirt­schaft

20

Die Schü­le­rin­nen und Schü­lern ler­nen die viel­fäl­ti­gen Ein­satz­mög­lich­kei­ten der Bio­tech­no­lo­gie in der Land­wirt­schaft ken­nen. In der Aus­ein­an­der­set­zung mit Ziel­set­zun­gen des Ein­sat­zes bzw. der Me­tho­dik des Er­zeu­gens trans­ge­ner Pflan­zen er­ken­nen sie, dass schein­bar ge­rad­li­ni­ge Lö­sungs­an­sät­ze im De­tail er­heb­li­che Pro­ble­me im Hin­blick auf das Er­rei­chen der ge­setz­ten Zie­le mit sich brin­gen kön­nen. Dies gilt ins­be­son­de­re dann, wenn es um die Nach­hal­tig­keit der ent­spre­chen­den Ver­fah­ren geht.
Der Ein­satz trans­ge­ner Tie­re im Be­reich des Ge­ne Phar­mings oder auch zur Nah­rungs­mit­tel-Pro­duk­ti­on zeigt den Schü­le­rin­nen und Schü­lern das Po­ten­zi­al gen­tech­ni­scher Me­tho­den auf, spe­zi­ell mit Hin­blick auf die Öko­no­mi­sie­rung der Pro­zes­se. Ih­nen wird be­wusst, dass es hin­sicht­lich des Ein­sat­zes trans­ge­ner Tie­re auch In­ter­es­sens­kon­flik­te ge­ben kann, ähn­lich wie bei der An­wen­dung bio­tech­no­lo­gi­scher Ver­fah­ren im Be­reich der re­ge­ne­ra­ti­ven En­er­gi­en. Sie ver­ste­hen, dass der Um­gang mit und das Lö­sen von sol­chen In­ter­es­sens­kon­flik­ten ei­ne wich­ti­ge ge­samt­ge­sell­schaft­li­che Auf­ga­be dar­stellt, zu der sie ih­ren Bei­trag leis­ten müs­sen.

BPE 4.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die klas­si­sche Züch­tung von Nutz­pflan­zen als land­wirt­schaft­li­che Me­tho­de und dis­ku­tie­ren Op­ti­mie­rungs­mög­lich­kei­ten. Sie fas­sen Ziel­set­zun­gen des Ein­sat­zes bio­tech­no­lo­gi­scher Ver­fah­ren zur Op­ti­mie­rung von Nutz­pflan­zen zu­sam­men.

Züch­tungs­zie­le

  • Er­trag

  • Ge­schmack

  • In­halts­sof­fe

  • Re­sis­tenz
abio­tisch: z. B. Hit­ze; bio­tisch: Schäd­lin­ge
Grund­la­gen der Züch­tung

  • zu­fäl­li­ge Mu­ta­ti­ons­er­eig­nis­se

  • Se­lek­ti­on nach Merk­ma­len

  • ge­ziel­te Kreu­zung

Op­ti­mie­rung
CRISPR/Cas-Me­tho­de
  • ge­ziel­te Ver­än­de­rung oder Zer­stö­rung vor­han­de­ner ge­ne­ti­scher In­for­ma­ti­on
Gen-Er­satz oder Gen-Knock­out
  • zu­sätz­li­che ge­ne­ti­sche In­for­ma­ti­on
Gen-Ad­di­ti­on
Trans­ge­ne Pflan­zen, Ziel­set­zun­gen

  • Her­bi­zi­d-Re­sis­ten­zen
Öko­no­mie-Prin­zip
  • ver­än­der­te Qua­li­tät bzw. Quan­ti­tät von In­halts­stof­fen
bei züch­te­risch nicht rea­li­sier­ba­ren Ei­gen­schaf­ten,
z. B. Öl­qua­li­tät, Mais mit Ly­sin, Aro­men
  • Er­trags­stei­ge­rung bei nach­wach­sen­den Roh­stof­fen
Mo­di­fi­ka­ti­on von Stoff­wech­sel­we­gen durch he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on; z. B. bei Cel­lu­lo­se
  • Pro­duk­ti­on von hu­ma­nen re­kom­bi­nan­ten The­ra­peu­ti­ka
Plant Ma­de Phar­maceuti­cals, z. B. MAK 2G12

BPE 4.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben ex­em­pla­risch die gen­tech­ni­sche Ver­än­de­rung von Pflan­zen und er­ör­tern An­wen­dungs­bei­spie­le für gen­tech­nisch ver­än­der­te Pflan­zen.

Gen­trans­fer mit Ti-Plas­mid

  • Auf­bau Ti-Vek­tor: T-Re­gi­on, Vi­ru­lenz­re­gi­on, Se­lek­ti­ons­mar­ker, ORI
vgl. BPE 3
  • prin­zi­pi­el­le Schrit­te: Trans­for­ma­ti­on, Se­lek­ti­on von A. tu­me­fa­ci­ens; In­fek­ti­on und Se­lek­ti­on von Pflan­zen­zel­len, Re­ge­ne­ra­ti­on trans­ge­ner Pflan­zen
Agro­bak­te­ri­um tu­me­fa­ci­ens; vgl. BPE 3
Gly­pho­sa­t-Re­sis­tenz

  • Gly­pho­sat: Hem­mung der EPSP-Syntha­se
Bio­syn­the­se aro­ma­ti­scher Ami­no­säu­ren
  • Re­sis­tenz: durch bak­te­ri­el­le CP4-E­PSP-Syntha­se
he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on
Glu­fo­si­na­t-Re­sis­tenz

  • Glu­fo­si­nat: Hem­mung der Glut­amin-Syn­the­ta­se
Zy­to­to­xi­zi­tät von Am­mo­ni­um-Io­nen
  • Re­sis­tenz: durch bak­te­ri­el­les pa­t-Gen
Phos­phi­no­t­h­ri­cin-A­ce­ty­l-Trans­fe­ra­se
Ein­satz Her­bi­zi­d-re­sis­ten­ter Pflan­zen: Pro­ble­me

  • Wild­kräu­tern-Re­sis­ten­zen
ho­ri­zon­ta­ler Gen­trans­fer, Se­lek­ti­ons­druck
  • Ver­än­de­rung von Öko­sys­te­men
Aus­wir­kun­gen von Mo­no­kul­tu­ren
  • Nach­hal­tig­keit
al­ter­na­ti­ve An­bau­me­tho­den
Gol­den Ri­ce

  • Be­ta-Ca­ro­tin als In­halts­stoff

  • Pro­ble­me: De­cken des Vit­amin­be­darfs, Ak­zep­tanz
er­näh­rungs­phy­sio­lo­gi­sche Kon­tro­ver­sen; al­ter­na­ti­ve Ver­sor­gung mit Vit­amin A

BPE 4.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen Ziel­set­zun­gen für die Ver­wen­dung gen­tech­nisch ver­än­der­ter Nutz­tie­re. Sie be­schrei­ben Ver­fah­ren zur Her­stel­lung trans­ge­ner Tie­re und zu de­ren Ver­meh­rung un­ter Bei­be­hal­tung der wert­vol­len Ei­gen­schaf­ten.

Trans­ge­ne Tie­re, Ziel­set­zun­gen

  • Stei­ge­rung der Mus­kel­mas­se
bei Scha­fen, CRISPR/Cas-Ver­fah­ren
  • Re­sis­ten­z-Ent­wick­lung
Maul- und Klau­en­seu­che, RNAi-Prin­zip
  • Pro­duk­ti­on wert­vol­ler Mil­ch­in­halts­stof­fe
Lac­to­fer­rin
  • Pro­duk­ti­on re­kom­bi­nan­ter Wirk­stof­fe
Ge­ne Phar­ming; An­ti­throm­bin, Ly­so­zym
Her­stel­lung trans­ge­ner Tie­re, prin­zi­pi­el­le Schrit­te

  • ge­ne­ti­sche Ma­ni­pu­la­ti­on von be­fruch­te­ten Oo­cy­ten oder em­bryo­na­len Stamm­zel­len (ES), Trans­fer der ES-Zel­len in Blas­to­cys­te
Gen­trans­fer durch z. B. Mi­k­ro­in­jek­ti­on
iPS-Zel­len
  • Em­bryo­nen­kul­tur

  • Em­bryo­nen­trans­fer in Am­men­tier

  • Aus­kreu­zen, Se­lek­ti­on auf Trans­gen
Se­lek­ti­ons­mar­ker; PCR; vgl. BPE 3
Re­pro­duk­ti­ves Klo­nen

  • Kern­trans­fer-Me­tho­de
Klon­schaf Dol­ly
  • Em­bryo­nen­split­ting

BPE 4.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­wer­ten die Ver­wen­dung von trans­ge­nen Tie­ren und Pflan­zen un­ter Be­rück­sich­ti­gung ver­schie­de­ner ge­sell­schaft­li­cher Per­spek­ti­ven.

Land­wirt­schaft­li­che Ver­bän­de

Ver­brau­cher­zen­tra­le

Tier­schutz­bund
Tier­schutz­ge­setz
Phar­ma­un­ter­neh­men

BPE 4.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len den Auf­bau ei­ner Bio­gas­an­la­ge dar und be­schrei­ben den Bei­trag der Bio­tech­no­lo­gie zur Pro­duk­ti­on re­ge­ne­ra­ti­ver En­er­gi­en aus Bio­mas­se. Sie über­prü­fen die Nach­hal­tig­keit und Wirt­schaft­lich­keit der ver­schie­de­nen bio­tech­no­lo­gi­schen An­wen­dun­gen.

Bio­gas­an­la­ge

  • Fest- und Flüs­sigstoff­zu­fuhr
kon­ti­nu­ier­li­che Zu­fuhr von z. B. Mais, Si­la­ge, Gül­le
  • Bio­gas­re­ak­tor mit Rühr­werk und Re­ak­tor­tem­pe­rie­rung

  • Se­pa­ra­tor zur Fes­t-Flüs­si­g-Tren­nung
kon­ti­nu­ier­li­che Ent­nah­me
  • Mo­dul zur Gas­rei­ni­gung

  • Block­heiz­kraft­werk (BHKW)

Bio­gas­pro­duk­ti­on

  • Pro­du­zen­ten: an­ae­ro­be Bak­te­ri­en
Hy­dro­ly­se, Aci­do‑, Ace­to‑, Me­tha­no­ge­ne­se
  • Sub­strat: hoch­wer­ti­ge Koh­len­hy­dra­te und N‑, P-hal­ti­ge Gül­le
Nach­hal­tig­keit, z. B. Tel­ler-Tan­k-Dis­kus­si­on, Pri­mär­ener­gie­ein­satz
  • Pro­dukt: Bio­gas
Ge­misch aus CH4, H2, CO2, H2S
  • Auf­rei­ni­gung: Trock­nung, Ent­schwe­fe­lung

  • Ver­wer­tung: BHKW, Ein­spei­sen in Gas­netz
Fern­wär­me
Bio­kraft­stof­fe

  • Pro­du­zen­ten: Bak­te­ri­en, He­fen

  • Bio­etha­nol aus Cel­lu­lo­se
z. B. Koh­len­stoff­bi­lanz der Bö­den
  • Al­gen­bio­re­ak­to­ren: Bio­die­sel, Öle
z. B. Qua­li­tät der Öle
Biob­renn­stoff­zel­le
z. B. Mach­bar­keit kon­ti­nu­ier­li­cher Pro­zess­füh­rung;
Ver­su­che: He­fe/G­lu­co­se/Me­thy­len­blau-Mo­dell

BPE 5

Be­deu­tung von Bio­kunst­stof­fen und de­ren Her­stel­lung mit­hil­fe bio­tech­no­lo­gi­scher Ver­fah­ren

10

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­ken­nen die Pro­ble­ma­tik der Her­stel­lung und des Ver­brauchs von Kunst­stof­fen aus fos­si­len Roh­stof­fen hin­sicht­lich der Um­welt­bi­lanz. Sie ler­nen Kunst­stof­fe aus kom­pos­tier­ba­ren Roh­stof­fen bzw. aus re­ge­ne­ra­ti­ven Quel­len als Al­ter­na­ti­ve ken­nen. Die Schü­le­rin­nen und Schü­lern dis­ku­tie­ren den Ein­satz bio­tech­no­lo­gi­scher Ver­fah­ren zur Re­duk­ti­on der Al­t-Kunst­stoff­be­las­tung.

BPE 5.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die zu­neh­men­de Pro­ble­ma­tik von Kunst­stoff­rück­stän­den in der Um­welt. Sie ver­glei­chen Kunst­stof­fe hin­sicht­lich Roh­stoff­grund­la­ge, Halt­bar­keit und Bio­ab­bau­bar­keit.

Kunst­stof­fe in der Um­welt

  • Ma­kro­plas­tik
Ge­wäs­ser- und Um­welt­be­las­tung
  • Mi­kro­plas­tik
An­la­ge­rung von Schad­stof­fen, An­rei­che­rung in Nah­rungs­ket­ten
De­fi­ni­tio­nen

  • kon­ven­tio­nel­le Kunst­stof­fe
z. B. PE, PP, PVC, PS
  • bio­ba­sier­te Kunst­stof­fe, Bio­kunst­stof­fe

  • bio­lo­gisch ab­bau­ba­re Kunst­stof­fe

Che­mi­scher Auf­bau von Bio­kunst­stof­fen

  • Po­ly-Hy­droxy­but­ter­säu­re (PHB)

  • Po­ly-Milch­säu­re (PLA)

Phy­si­ka­li­sche Ei­gen­schaf­ten von Kunst­stof­fen
UV‑, Tem­pe­ra­tur­be­stän­dig­keit, Be­last­bar­keit
Bio­lo­gi­scher Ab­bau von Kunst­stof­fen
z. B. Ab­bau von PET; Ver­su­che: Kom­pos­tie­rung von PLA-Tü­ten

BPE 5.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler un­ter­su­chen die bio­tech­no­lo­gi­sche Pro­duk­ti­on ei­nes Bio­kunst­stof­f-Mo­no­mers und nen­nen Op­ti­mie­rungs­mög­lich­kei­ten des Ver­fah­rens. Sie be­schrei­ben Pro­zes­se zur Ge­win­nung des Po­ly­mers aus den Mo­no­me­ren.

Mi­kro­bi­el­le Milch­säu­re-Her­stel­lung

  • Milch­säu­re­gä­rung, Glu­co­se als Sub­strat
Ver­such: Her­stel­lung von Milch­säu­re
  • gen­tech­ni­sche Op­ti­mie­rung: ver­ein­fach­te Auf­rei­ni­gung, Er­trags­stei­ge­rung

Pro­duk­ti­on von Po­ly-Milch­säu­re:

  • Ve­r­es­te­rung von Milch­säu­re
Ver­su­che: Ve­r­es­te­rung bei 140 – 180° C, ka­ta­ly­ti­sche Zinn­ver­bin­dun­gen
  • Iso­la­ti­on und Auf­rei­ni­gung

  • Pro­dukt­qua­li­tät

BPE 6

Um­welt­bio­tech­no­lo­gie

10

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­ken­nen die Be­deu­tung von Stoff­kreis­läu­fen in der Na­tur und be­grei­fen, dass die­se als Vor­bild für ei­ne bio­tech­no­lo­gi­sche Rei­ni­gung und Sa­nie­rung der be­las­te­ten Um­welt die­nen kön­nen. Am Bei­spiel der kom­mu­na­len Klär­an­la­ge ma­chen sie sich den Bei­trag der Bio­tech­no­lo­gie zur Rei­ni­gung von Ab­wäs­sern be­wusst. Sie er­ken­nen aber auch die Gren­zen bio­tech­no­lo­gi­scher Ver­fah­ren, nicht zu­letzt vor dem Hin­ter­grund der Pro­ble­ma­tik der Spu­ren­stof­f-Eli­mi­na­ti­on. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler wer­den so in Be­zug auf ih­ren ei­ge­nen Um­gang mit Pro­blem­stof­fen sen­si­bi­li­siert.

BPE 6.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len na­tür­li­che Stoff­kreis­läu­fe dar und er­läu­tern Ur­sa­chen und Aus­wir­kun­gen von Ge­wäs­ser­be­las­tun­gen. Sie be­schrei­ben die Cha­rak­te­ri­sie­rung von Ge­wäs­sern und Ab­wäs­sern.

Stoff­kreis­läu­fe in der Um­welt
Koh­len­stoff‑, Stick­stoff­kreis­lauf
Be­las­tung von Ge­wäs­sern

  • N‑, P‑, C- Be­las­tung, Eu­tro­phie­rung
Gül­le­pro­ble­ma­tik, Ni­trat im Trink­was­ser
  • nich­t-ab­bau­ba­re Schad­stof­fe, To­xi­zi­tät
z. B. An­ti­bio­ti­ka
Cha­rak­te­ri­sie­rung von Ge­wäs­sern, kom­mu­na­len Ab­wäs­sern

  • phy­si­ka­lisch-che­mi­sche Pa­ra­me­ter
Tem­pe­ra­tur, pH-Wert, Sau­er­stoff­ge­halt
  • Gü­te­klas­se der Ge­wäs­ser

  • CSB, BSB5, Quo­ti­ent aus BSB5 und CSB
che­mi­scher, bio­lo­gi­scher Sau­er­stoff­be­darf

BPE 6.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern Auf­bau und Funk­ti­on ei­ner drei­stu­fi­gen Klär­an­la­ge und be­schrei­ben Ver­fah­ren zur C-, N- und P-Eli­mi­na­ti­on. Sie un­ter­su­chen die Not­wen­dig­keit ei­ner vier­ten Rei­ni­gungs­stu­fe zur Eli­mi­na­ti­on von Spu­ren­stof­fen.

Drei­stu­fi­ge Klär­an­la­ge
Ex­kur­si­on
  • me­cha­ni­sche Rei­ni­gung: Ab­tren­nung un­ge­lös­ter Stof­fe

  • bio­lo­gi­sche Rei­ni­gung: C‑, N-Eli­mi­na­ti­on; mi­kro­bi­el­le P-Eli­mi­na­ti­on
Bil­dung mi­kro­bi­el­ler Po­ly­phos­pha­te, „Lu­xu­ry Up­t­ake“
  • che­mi­sche Rei­ni­gung: P-Eli­mi­na­ti­on
Aus­fäl­lung
C‑, N-Eli­mi­na­ti­on

  • Be­lebt­schlamm­be­cken, ae­rob: Oxi­da­ti­on von Koh­len­stoff­ver­bin­dun­gen zu CO2 und H2O; Oxi­da­ti­on von NH4+ zu NO2- und NO3-
ver­ein­facht: ae­ro­be Dis­si­mi­la­ti­on von Glu­co­se; Ni­tri­fi­ka­ti­on; Sum­men­glei­chun­gen
  • Be­lebt­schlamm­be­cken, an­ae­rob: Re­duk­ti­on von NO3- zu N2
De­ni­tri­fi­ka­ti­on, Sum­men­glei­chun­gen
  • Faul­turm, an­ae­rob:
    Um­satz or­ga­ni­scher Stof­fe zu CH4 und CO2
vgl. BPE 4
Pro­ble­ma­tik der Spu­ren­stof­f-Eli­mi­na­ti­on
z. B. Eli­mi­na­ti­on von An­ti­bio­ti­ka
Vier­te Rei­ni­gungs­stu­fe: Rei­ni­gung durch Ak­tiv­koh­le, Ozonie­rung, UV-Be­strah­lung, Mi­kro­fil­tra­ti­on
Re­cher­che; Ver­su­che: Eli­mi­na­ti­on ei­nes An­ti­bio­ti­kums durch z. B. UV-Be­strah­lung, Nach­weis mit­tels z. B. Hemm­hof-Ana­ly­se

Ope­ra­to­ren­lis­te

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

An­for­de­rungs­be­rei­che
An­for­de­rungs­be­reich I um­fasst das Wie­der­ge­ben von Sach­ver­hal­ten aus ei­nem ab­ge­grenz­ten Ge­biet im ge­lern­ten Zu­sam­men­hang, das Be­schrei­ben und An­wen­den ge­lern­ter und ge­üb­ter Ar­beits­tech­ni­ken und Ver­fah­rens­wei­sen in ei­nem wie­der­ho­len­den Zu­sam­men­hang.
An­for­de­rungs­be­reich II um­fasst das selbsts­tän­di­ge Aus­wäh­len, An­ord­nen, Ver­ar­bei­ten und Dar­stel­len be­kann­ter Sach­ver­hal­te un­ter vor­ge­ge­be­nen Ge­sichts­punk­ten in ei­nem durch Übung be­kann­ten Zu­sam­men­hang, das selbsts­tän­di­ge Über­tra­gen des Ge­lern­ten auf ver­gleich­ba­re neue Si­tua­tio­nen mit ve­r­än­der­ten Fra­ge­stel­lun­gen, mit ve­r­än­der­ten Sach­zu­sam­men­hän­gen oder mit ab­ge­wan­del­ten Ver­fah­rens­wei­sen.
An­for­de­rungs­be­reich III um­fasst das plan­mäßi­ge Ver­ar­bei­ten kom­ple­xer Ge­ge­ben­hei­ten mit dem Ziel, zu selbsts­tän­di­gen Ge­stal­tun­gen bzw. Deu­tun­gen, Fol­ge­run­gen, Be­grün­dun­gen und Wer­tun­gen zu ge­lan­gen; da­bei wer­den aus den ge­lern­ten Denk­me­tho­den bzw. Lösungs­ver­fah­ren die­je­ni­gen, die zur Be­wäl­ti­gung der Auf­ga­ben ge­eig­net sind, selbsts­tän­dig aus­ge­wählt und ei­ner neu­en Pro­blem­stel­lung an­ge­passt.
(vgl. Ein­heit­li­che Prü­fungs­an­for­de­run­gen in der Ab­itur­prü­fung Bio­tech­no­lo­gie des Mi­nis­te­ri­ums für Kul­tus, Ju­gend und Sport Ba­den-Würt­tem­berg i. d. F. vom 30.11.2003)
Ope­ra­tor De­fi­ni­ti­on Zu­ord­nung AFB
ab­lei­ten
auf der Grund­la­ge we­sent­li­cher Merk­ma­le sach­ge­rech­te Schlüs­se zie­hen
II, III
ana­ly­sie­ren, un­ter­su­chen
wich­ti­ge Be­stand­tei­le oder Ei­gen­schaf­ten auf ei­ne be­stimm­te Fra­ge­stel­lung hin her­aus­ar­bei­ten. Un­ter­su­chen be­inhal­tet ge­ge­be­nen­falls zu­sätz­lich prak­ti­sche An­tei­le
II, III
an­ge­ben, nen­nen
Ele­men­te, Sach­ver­hal­te, Be­grif­fe, Da­ten oh­ne Er­läu­te­run­gen auf­zäh­len
I
aus­wer­ten
Da­ten, Ein­zel­er­geb­nis­se oder an­de­re Ele­men­te in ei­nen Zu­sam­men­hang stel­len und ge­ge­be­nen­falls zu ei­ner Ge­samt­aus­sa­ge zu­sam­men­füh­ren
II
be­grün­den
Sach­ver­hal­te auf Re­geln und Ge­setz­mä­ßig­kei­ten bzw. kau­sa­le Be­zie­hun­gen von Ur­sa­chen und Wir­kung zu­rück­füh­ren
II, III
be­schrei­ben
Struk­tu­ren, Sach­ver­hal­te oder Zu­sam­men­hän­ge struk­tu­riert und fach­sprach­lich rich­tig mit ei­ge­nen Wor­ten wie­der­ge­ben
I, II
be­ur­tei­len
zu ei­nem Sach­ver­halt ein selbst­stän­di­ges Ur­teil un­ter Ver­wen­dung von Fach­wis­sen und Fach­me­tho­den for­mu­lie­ren und be­grün­den
III
be­wer­ten
ei­nen Ge­gen­stand an er­kenn­ba­ren Wert­ka­te­go­ri­en oder an be­kann­ten Be­ur­tei­lungs­kri­te­ri­en mes­sen
III
dar­stel­len
Sach­ver­hal­te, Zu­sam­men­hän­ge, Me­tho­den etc. struk­tu­riert und ge­ge­be­nen­falls fach­sprach­lich wie­der­ge­ben
I, II
deu­ten, in­ter­pre­tie­ren
fach­spe­zi­fi­sche Zu­sam­men­hän­ge in Hin­blick auf ei­ne ge­ge­be­ne Fra­ge­stel­lung be­grün­det dar­stel­len
II, III
dis­ku­tie­ren, er­ör­tern
Ar­gu­men­te und Bei­spiel zu ei­ner Aus­sa­ge oder The­se ein­an­der ge­gen­über­stel­len und ab­wä­gen
III
er­klä­ren
ei­nen Sach­ver­halt auf Re­geln und Ge­setz­mä­ßig­kei­ten zu­rück­füh­ren so­wie ihn nach­voll­zieh­bar und ver­ständ­lich ma­chen
II, III
er­läu­tern
ei­nen Sach­ver­halt ver­an­schau­li­chend dar­stel­len und durch zu­sätz­li­che In­for­ma­tio­nen ver­ständ­lich ma­chen
II, III
er­mit­teln
ei­nen Zu­sam­men­hang oder ei­ne Lö­sung fin­den und das Er­geb­nis for­mu­lie­ren
II, III
Hy­po­the­se auf­stel­len, Hy­po­the­se ent­wi­ckeln
be­grün­de­te Ver­mu­tung auf der Grund­la­ge von Be­ob­ach­tun­gen, Un­ter­su­chun­gen, Ex­pe­ri­men­ten oder Aus­sa­gen for­mu­lie­ren
III
pro­to­kol­lie­ren
Be­ob­ach­tun­gen oder die Durch­füh­rung von Ex­pe­ri­men­ten de­tail­ge­nau zeich­ne­risch ein­wand­frei bzw. fach­sprach­lich rich­tig wie­der­ge­ben
I
prü­fen, über­prü­fen
Sach­ver­hal­te oder Aus­sa­gen an Fak­ten oder in­ne­rer Lo­gik mes­sen und even­tu­el­le Wi­der­sprü­che auf­de­cken
II, III
skiz­zie­ren
Sach­ver­hal­te, Struk­tu­ren oder Er­geb­nis­se auf das We­sent­li­che re­du­ziert über­sicht­lich gra­fisch dar­stel­len
I, II
Stel­lung neh­men
zu ei­nem Ge­gen­stand, der an sich nicht ein­deu­tig ist, nach kri­ti­scher Prü­fung und sorg­fäl­ti­ger Ab­wä­gung ein be­grün­de­tes Ur­teil ab­ge­ben
III
ver­glei­chen
Ge­mein­sam­kei­ten, Ähn­lich­kei­ten und Un­ter­schie­de er­mit­teln
II
zeich­nen
ei­ne mög­lichst ex­ak­te gra­fi­sche Dar­stel­lung be­ob­acht­ba­rer oder ge­ge­be­ner Struk­tu­ren an­fer­ti­gen
I
zu­sam­men­fas­sen
das We­sent­li­che in kon­zen­trier­ter Form her­aus­stel­len
II
vgl. Ein­heit­li­che Prü­fungs­an­for­de­run­gen in der Ab­itur­prü­fung Bio­lo­gie der KMK i. d. F. vom 05.02.2004

Fußleiste