Aufgaben: Die Isolierung von DNA

Erkläre in eigenen Worten, was es bedeutet, DNA aus einer eukaryotischen Zelle zu isolieren, und nenne zwei einfache Materialien, aus denen man die Zellen für den Versuch gewinnen kann (zum Beispiel die Mundschleimhaut oder eine Frucht). Warum sollte man das Material vor Beginn gut zerkleinern?

Beim Versuch zur DNA-Isolierung werden Spülmittel, Salz und sehr kalter Alkohol verwendet. Erkläre die Rolle jedes Stoffes: Welche Strukturen der Zelle löst das Spülmittel auf, wozu dient das Salz und was geschieht mit der DNA, wenn sie mit dem Alkohol in Kontakt kommt?

Betrachte die Skizze des Reagenzglases am Ende des Versuchs zur DNA-Isolierung. Bestimme, worauf die Markierungen ?1, ?2 und ?3 verweisen (die Alkoholschicht, der wässrige Extrakt mit der gelösten DNA und die DNA-Fäden, die in der Kontaktzone auftreten), und erkläre, warum sich die DNA gerade in dieser Zone sammelt.

Begründe, warum sich zur DNA-Isolierung fast jedes Gewebe eignet, zum Beispiel ein Salatblatt oder ein Stück Hähnchen, sofern die Zellen einen Zellkern haben. Was haben alle diese Zellen gemeinsam?

Nachdem das Material mit dem Extraktionsgemisch zerkleinert wurde, wird das Gemisch im Versuch gefiltert. Erkläre, was im Filter zurückbleibt, was ins Becherglas gelangt und warum es sinnvoll ist, den festen Anteil zu entfernen.

Nenne die für den Versuch zur DNA-Isolierung nötigen Laborgeräte (Becherglas, Sieb oder Filter, Reagenzglas, Glasstab) und erkläre, wozu jedes einzelne verwendet wird.

Im Reagenzglas geht die DNA beim Zugeben des Alkohols vom gelösten Zustand im Extrakt in einen Niederschlag aus Fäden über. Erkläre, ob sich das DNA-Molekül dabei chemisch verändert hat oder nur seinen physikalischen Zustand, und vergleiche dies mit dem, was mit Salz geschieht, wenn es in Wasser ausfällt.

Obwohl der Versuch Zutaten aus der Küche verwendet, wird er in einem Labor durchgeführt. Nenne zwei Sicherheitsregeln, die du einhalten musst (zum Beispiel nichts probieren und den Alkohol von jeder Flamme fernhalten), und erkläre den Grund für jede.

Diese Schritte des Versuchs zur DNA-Isolierung sind durcheinandergeraten: den sehr kalten Alkohol an der Wand des Reagenzglases entlang zugeben, ohne zu schütteln; das Material zerkleinern; das Gemisch aus Wasser, Salz und Spülmittel herstellen; das Gemisch filtern; die DNA-Fäden mit einem Glasstab herausnehmen. Bringe sie in die richtige Reihenfolge und begründe, warum jeder Schritt an dieser Stelle stehen muss.

Der Alkohol im Versuch muss sehr kalt sein und vorsichtig eingegossen werden, sodass er eine Schicht über dem Extrakt bildet, ohne sich mit ihm zu vermischen. Erkläre, welchen Vorteil es für die Löslichkeit der DNA hat, dass der Alkohol kalt ist, und warum sich die beiden Schichten nicht vermischen sollten.

Am Ende des Versuchs erscheint in der Kontaktzone zwischen Extrakt und Alkohol eine Art weißliche Wolke aus Fäden. Beschreibe, was man beobachtet, und erkläre, was dieses Material tatsächlich ist – es ist weder ein einzelnes Molekül noch die DNA einer einzigen Zelle – und warum es mit bloßem Auge sichtbar ist, obwohl ein einzelnes DNA-Molekül es nicht ist.

Ein Mitschüler schlägt vor, menschliche DNA aus einem Tropfen Blut zu isolieren. Begründe, warum rote Blutkörperchen für diesen Versuch nicht geeignet sind und welche Blutzellen man stattdessen verwenden müsste.

Das Spülmittel löst die Zellmembranen auf, weil diese aus einer Phospholipid-Doppelschicht bestehen. Erkläre die Analogie zu dem, was das Spülmittel beim Reinigen eines fettigen Tellers bewirkt, und was dann mit dem Inhalt der Zelle geschieht.

Entwirf ein Experiment, um zu prüfen, aus welcher Frucht – Banane, Kiwi oder Erdbeere – sich mit demselben Protokoll am meisten DNA gewinnen lässt. Gib an, welche Variablen du konstant halten würdest, damit der Vergleich fair ist, und welche du zum Vergleich der Ergebnisse messen würdest.

Eine menschliche Zelle enthält etwa $6\ \text{pg}$ DNA ($6 \cdot 10^{-12}\ \text{g}$). Schätze ab, wie viele Zellen nötig wären, um $1\ \text{mg}$ DNA zu gewinnen, und begründe, warum man im Versuch eine ziemlich große Menge Material zerkleinern muss.

DNA ist im wässrigen Extrakt mit Salz löslich, aber in kaltem Alkohol unlöslich, während viele Proteine und Membranreste in der Flüssigkeit bleiben. Erkläre den Unterschied zwischen Lösen und Ausfällen und warum diese Änderung der Löslichkeit es ermöglicht, die DNA von einem großen Teil der Verunreinigungen zu trennen.

Du möchtest mit demselben Protokoll DNA aus einer Erdbeere und aus einer Zwiebel isolieren. Begründe, welche Anpassungen beim Zerkleinern oder bei der Spülmittelmenge je nach Festigkeit des Gewebes nötig sein könnten, und sage voraus, aus welcher du mehr sichtbare DNA erwartest, wobei du weißt, dass die Erdbeere oktoploid ist: Ihre Zellen haben acht Chromosomensätze statt zwei.

Beim Versuch zur Isolierung pflanzlicher DNA erhalten drei Gruppen fehlgeschlagene Ergebnisse:

• Gruppe A: Sie hat das Pflanzengewebe zehn Minuten lang bei maximaler Leistung im Mixer zerkleinert und beobachtet keine Fäden, sondern nur eine trübe Flüssigkeit ohne erkennbare Fäden.

• Gruppe B: Sie hat 96-prozentigen Alkohol bei Raumtemperatur ($22\ ^\circ\text{C}$) zugegeben, statt ihn vorher auf $-20\ ^\circ\text{C}$ abzukühlen, und beobachtet an der Grenzfläche kaum einen Niederschlag.

• Gruppe C: Sie hat das Reagenzglas direkt nach dem Eingießen des Alkohols mit einem Glasstab kräftig gerührt, und die Fasern, die sich gerade zusammenlagerten, haben sich aufgelöst.

Begründe für jeden Fall, was auf physikalischer oder molekularer Ebene geschehen ist, um das Scheitern der Isolierung zu erklären.

Bei einer forensischen Untersuchung wird eine winzige biologische Probe gesichert (ein Haar mit Wurzel, das nur wenige Dutzend Zellen enthält). Ein Schüler behauptet: „Wir können das Hausprotokoll mit der Erdbeere verwenden: Wir zerkleinern, geben Spülmittel, Salz und Alkohol dazu und lesen dann die Gene mit einer Lupe ab.“ Widerlege seine Behauptung, indem du drei unüberwindbare Einschränkungen dieser Schulmethode nennst, und begründe, welche fortgeschrittenen Techniken (wie die Vervielfältigung per PCR oder die enzymatische Aufreinigung) in einem echten Labor unverzichtbar sind, um die Probe zu analysieren.

Eine Gruppe von Schülern möchte das Protokoll zur Isolierung pflanzlicher DNA auf tierisches Gewebe (Hähnchenbrust) übertragen. Sie schlagen vor, zwei Schritte wegzulassen: das anfängliche mechanische Zerkleinern (weil Fleisch weicher ist als eine pflanzliche Zellwand) und die Zugabe von Spülmittel (weil tierische Zellen keine Zellwand haben).

Bewerte beide Vorschläge kritisch: Begründe, ob es sinnvoll ist, auf jeden dieser Schritte zu verzichten, und beziehe dich dabei auf den Aufbau tierischer Zellen, und sage voraus, was sie erhielten, wenn sie das Spülmittel weglassen würden.

Nach dem Versuch mit Erdbeere und Kiwi vergleicht ein Schüler beide Reagenzgläser und behauptet: „Die DNA beider Früchte sieht genau gleich aus (eine weißliche, faserige Masse). Das beweist, dass die DNA aller Arten auf molekularer Ebene identisch ist und dass die Isolierung nicht dazu dient, sie zu unterscheiden.“ Widerlege seinen Schluss, indem du unterscheidest, welcher Teil des DNA-Moleküls für alle Lebewesen universell ist und welcher die Information enthält, die es einem Labor ermöglicht, die Art zu sequenzieren und zu bestimmen.

Zur Identifizierung eines Verdächtigen schneidet ein Labor DNA-Proben mit Enzymen und unterzieht die Fragmente einer Elektrophorese in einem Agarosegel:

1. a) Die DNA hat aufgrund ihrer Phosphatgruppen eine negative Nettoladung. Leite begründet her, zu welchem elektrischen Pol (positiv oder negativ) die Fragmente beim Einschalten des Stroms wandern.
2. b) Eine Probe enthält DNA-Fragmente von $300$ Basenpaaren und andere von $2500$ Basenpaaren. Sage voraus, welche im Gelnetz weiter von der Auftragstasche entfernt liegen, und begründe den physikalischen Grund.
3. c) Deute, was es bedeuten würde, wenn das Bandenmuster des Verdächtigen in Lage und Anzahl genau mit dem der am Tatort gefundenen Probe übereinstimmt.

Die mit dem Schulprotokoll gewonnene DNA ist nicht rein: Sie fällt zusammen mit Proteinen (Histonen) und Lipiden aus. Ein Team schlägt vor, dem Filtrat vor der Alkoholzugabe naturbelassenen Ananassaft (reich an Bromelain, einem proteinspaltenden Enzym) zuzusetzen. Ein anderes Team schlägt vor, das Filtrat zur Beseitigung der Proteinverunreinigungen $15$ Minuten lang auf $100\ ^\circ\text{C}$ zu erhitzen.

Bewerte beide Vorschläge: Begründe, welcher der beiden geeignet ist, indem du die Wirkung der Protease auf die Histone erklärst, und sage die nachteilige Wirkung voraus, die das Kochen der Probe auf das DNA-Molekül hätte.

Ein DNA-Molekül hat eine Dicke von etwa $2\ \text{nm}$, während die im Versuch sichtbaren Fäden einige Zehntelmillimeter dick sind, zum Beispiel $0{,}5\ \text{mm}$. Schätze ab, wie viele gebündelte DNA-Moleküle in die Dicke eines Fadens passen, und bringe das Ergebnis mit der Tatsache in Verbindung, dass die ausgefällte DNA mit bloßem Auge sichtbar ist.