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Realschule 10 · Biologie
Die Biotechnologie · Die Methoden der Biotechnologie

Die Anwendungen der Biotechnologie

Das solltest du beherrschen: Die Genexpression (Klasse 9 an der Realschule (Nordrhein-Westfalen))
Das solltest du beherrschen: Impfungen, Transplantationen und Spenden (Klasse 7 an der Realschule (Nordrhein-Westfalen))

Dieselben Werkzeuge der Gentechnik – PCR, Restriktionsenzyme, Klonierung, CRISPR/Cas9 – werden heute vielfältig genutzt: Man stellt Insulin her, schützt Maispflanzen vor Schädlingen, beseitigt Ölverschmutzungen, identifiziert Personen anhand eines Blutstropfens und diskutiert sogar, Erbkrankheiten vor der Geburt zu korrigieren. Wo liegen Nutzen und Grenzen dieser Anwendungen?

Gentherapie und mRNA-Impfstoffe

Kinder mit schwerem kombiniertem Immundefekt (SCID) kamen ohne funktionierende Abwehr zur Welt und mussten in keimfreier Umgebung leben. Dann gelang es, eine funktionsfähige Kopie des ADA-Gens in ihre eigenen Lymphozyten einzubringen und diese zurückzugeben. Wie lassen sich Nukleinsäuren nicht nur zur Untersuchung einer Krankheit, sondern direkt als Medikament in menschlichen Zellen einsetzen?

Gentherapie: Ein viraler Vektor mit einer funktionsfähigen Genkopie gelangt per Endozytose in die Zelle des Patienten und bringt das Gen in den Zellkern. intaktes Gen viraler Vektor (verändertes Virus) Zellkern korrigiertes Gen Zelle des Patienten

Man unterscheidet zwei Vorgehensweisen: Bei der Ex-vivo-Therapie werden Zellen (z. B. Blutstammzellen) entnommen, außerhalb des Körpers verändert und zurückgegeben. Bei der In-vivo-Therapie wird der Vektor direkt in den Körper oder das Zielorgan gebracht. Als Vektor dienen oft Viren, die keine Krankheit mehr auslösen können.

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Nennen Sie zwei Anwendungen der Biotechnologie im Bereich der Gesundheit und erklären Sie kurz, worin jede besteht.

Nennen Sie zwei Anwendungen der Biotechnologie im Bereich der Gesundheit und erklären Sie kurz, worin jede besteht.

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Was ist Gentherapie? Nennen Sie ein Beispiel für eine Krankheit, die mit dieser Strategie behandelt werden soll, und erklären Sie das zugrunde liegende Prinzip.

Was ist Gentherapie? Nennen Sie ein Beispiel für eine Krankheit, die mit dieser Strategie behandelt werden soll, und erklären Sie das zugrunde liegende Prinzip.

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Bei der Entwicklung eines mRNA-Impfstoffs gegen ein behülltes pathogenes Virus muss das Forschungsteam mehrere physiologische und zelluläre Hindernisse überwinden: a)…

Bei der Entwicklung eines mRNA-Impfstoffs gegen ein behülltes pathogenes Virus muss das Forschungsteam mehrere physiologische und zelluläre Hindernisse überwinden:

  1. a) Würde freie mRNA direkt in den Blutkreislauf injiziert, würde sie innerhalb von Minuten abgebaut und könnte die Zellmembran nicht durchdringen. Begründen Sie, welche biologischen (molekularen und elektrostatischen) Barrieren ihren Eintritt verhindern, und erklären Sie, wie die Verpackung in Lipid-Nanopartikel dieses Problem löst.
  2. b) Beschreiben Sie, welches Zellorganell die mRNA im Zytosol der Wirtszellen translatiert, und widerlegen Sie die falsche Behauptung, „mRNA-Impfstoffe können das Genom des Patienten dauerhaft verändern“, indem Sie zwei biologische Argumente anführen, die auf dem Fluss der genetischen Information und der Kompartimentierung der Zelle beruhen.
  3. c) Vergleichen Sie die Sicherheit dieses Impfstoffs mit der eines klassischen Lebendimpfstoffs aus abgeschwächten Viren bei einer Person mit schwerer Immunschwäche: Sagen Sie voraus, welches Risiko einer Rückmutation oder krankmachenden Vermehrung der abgeschwächte Impfstoff birgt, das beim mRNA-Impfstoff überhaupt nicht besteht, und begründen Sie Ihre Überlegung.
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Rekombinante Arzneimittel: das Beispiel Insulin

Herstellung von rekombinantem Insulin: Das menschliche Insulin-Gen wird in ein Plasmid eines Bakteriums kloniert; die Bakterien werden im Bioreaktor vermehrt, und man gewinnt reines Humaninsulin. menschliches Insulin-Gen Klonierung Plasmid mit Gen veränderte Bakterie Vermehrung im Bioreaktor reines Humaninsulin
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Das Schema fasst in vier nummerierten Schritten zusammen, wie heute Humaninsulin gewonnen wird. Erklären Sie, was in jedem Schritt geschieht, und begründen Sie, welche…

Das Schema fasst in vier nummerierten Schritten zusammen, wie heute Humaninsulin gewonnen wird. Erklären Sie, was in jedem Schritt geschieht, und begründen Sie, welche Vorteile diese Methode gegenüber der Gewinnung von Insulin aus der Bauchspeicheldrüse von Schweinen oder Rindern bietet.

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Gentechnisch veränderte Pflanzen

Jedes Jahr bohrt der Maiszünsler die Stängel von Maispflanzen an und zerstört Ernten, wenn nicht wiederholt Insektizide gespritzt werden, die auch andere Insekten und den Boden belasten. Kann man die Pflanze selbst mit einem dauerhaften biologischen Schutz ausstatten?

Bt-Mais: Das Bt-Gen aus dem Bakterium Bacillus thuringiensis wird in die Maiszelle übertragen; die Pflanze bildet das Bt-Protein, das die Larve des Maiszünslers beim Fressen tötet. Bacillus thuringiensis Bt-Gen Gentransfer Bt-Protein Bt-Maiszelle Toxin Larve des Maiszünslers stirbt beim Fressen
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Der Bt-Mais enthält ein Gen des Bakteriums Bacillus thuringiensis, das ein insektizides Toxin produziert. Nennen Sie zwei Vorteile dieser transgenen Kulturpflanze und…

Der Bt-Mais enthält ein Gen des Bakteriums Bacillus thuringiensis, das ein insektizides Toxin produziert. Nennen Sie zwei Vorteile dieser transgenen Kulturpflanze und zwei Risiken oder Kritikpunkte, die ihr zugeschrieben werden.

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Bioremediation und Abwasserreinigung

Bioremediation eines Ölteppichs: Abbauende Bakterien nutzen die Kohlenwasserstoffe als Kohlenstoff- und Energiequelle; mit Sauerstoff und Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphor entstehen Kohlenstoffdioxid, Wasser und neue Bakterienbiomasse. Kohlenwasserstoffe Kohlenstoff- und Energiequelle O₂ Nährstoffe (N, P) Bakterie CO₂ + H₂O mehr Bakterien (Biomasse)
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In Kläranlagen wirken Bakterien und andere Mikroorganismen mit. Erklären Sie, welche Rolle sie bei der Abwasserreinigung spielen.

In Kläranlagen wirken Bakterien und andere Mikroorganismen mit. Erklären Sie, welche Rolle sie bei der Abwasserreinigung spielen.

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Die Bioremediation setzt Mikroorganismen ein, um Kohlenwasserstoff-Verschmutzungen zu beseitigen. Erklären Sie, worin diese Methode besteht und welche Bedingungen…

Die Bioremediation setzt Mikroorganismen ein, um Kohlenwasserstoff-Verschmutzungen zu beseitigen. Erklären Sie, worin diese Methode besteht und welche Bedingungen gegeben sein müssen, damit die Mikroorganismen den Schadstoff effektiv abbauen.

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Genetischer Fingerabdruck und Eingriffe in die Keimbahn

Am Tatort bleibt nur ein winziger, eingetrockneter Speichelrest am Glasrand zurück, mit nur wenigen Pikogramm DNA. Wie wird daraus ein Beweis, der eine Person unter Milliarden unterscheidbar macht?

Derselbe STR-Locus bei zwei Personen: Die flankierenden Sequenzen sind gleich, die Einheit GATA wiederholt sich bei Person A dreimal, bei Person B fünfmal. Derselbe STR-Locus bei zwei Personen Person A GATA GATA GATA 3 Wiederholungen Person B GATA GATA GATA GATA GATA 5 Wiederholungen Andere Anzahl = Fragment anderer Länge

Vorgehen: Mit der PCR werden mehrere STR-Loci aus der winzigen Probe vervielfältigt. Da jeder Mensch an jedem Locus zwei Allele hat (eines von der Mutter, eines vom Vater), wird für jeden Locus ein Allelpaar angegeben, z. B. „12, 14“. Stimmen alle untersuchten Loci von Probe und Verdächtigem überein, ist er als Spurenleger sehr wahrscheinlich; stimmt auch nur ein Locus nicht überein, ist er ausgeschlossen. Bei Vaterschaftstests muss jedes Kind-Allel entweder von der Mutter oder vom möglichen Vater stammen.

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Bei einer forensischen Untersuchung wird ein winziger Blutfleck auf der Kleidung eines Opfers gefunden (Probe). Die Polizei befragt zwei Verdächtige (S1 und S2).…

Bei einer forensischen Untersuchung wird ein winziger Blutfleck auf der Kleidung eines Opfers gefunden (Probe). Die Polizei befragt zwei Verdächtige (S1 und S2). Zugleich fordert in einem parallelen Zivilverfahren eine Frau (M) von S1 die Anerkennung der Vaterschaft für ihr Kind (H). Das Labor analysiert drei Loci von Short Tandem Repeats (STR):

Person / Probe Locus 1 Locus 2 Locus 3
Forensische Probe 12, 14 9, 11 15, 15
Verdächtiger 1 (S1) 12, 14 9, 11 15, 15
Verdächtiger 2 (S2) 12, 12 9, 11 15, 17
Mutter (M) 10, 14 7, 9 14, 15
Kind (H) 12, 14 9, 11 15, 16
  1. a) Interpretieren Sie die forensischen Ergebnisse: Kann einer der Verdächtigen ausgeschlossen werden? Erlaubt diese Übereinstimmung die Aussage mit absoluter Sicherheit von $100\ \%$, dass der nicht ausgeschlossene Verdächtige der Täter ist? Begründen Sie Ihre Antwort unter Berücksichtigung der statistischen Wahrscheinlichkeit und der Notwendigkeit, weitere Loci zu analysieren.
  2. b) Analysieren Sie die Daten des Vaterschaftstests: Leiten Sie die väterlichen Allele ab, die das Kind (H) zwingend erhalten haben muss, indem Sie seinen Genotyp mit dem seiner Mutter (M) vergleichen. Beurteilen Sie daraufhin begründet, ob S1 der biologische Vater von H sein kann.
  3. c) Erklären Sie auf chromosomaler und molekularer Ebene, was es bedeutet, wenn eine Person an einem STR-Locus zwei verschiedene Werte zeigt statt nur einen (wie am Locus 3 bei S1), und welche analytische Methode es ermöglicht, diese Allele nach der Vervielfältigung per PCR zu unterscheiden.
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Ein biomedizinisches Konsortium schlägt vor, die CRISPR/Cas9-Technologie an lebensfähigen menschlichen Zygoten anzuwenden, um vor der Einpflanzung des Embryos eine…

Ein biomedizinisches Konsortium schlägt vor, die CRISPR/Cas9-Technologie an lebensfähigen menschlichen Zygoten anzuwenden, um vor der Einpflanzung des Embryos eine autosomal-dominante Mutation zu korrigieren, die für die Huntington-Krankheit verantwortlich ist.

  1. a) Beschreiben Sie die beiden unverzichtbaren molekularen Komponenten des CRISPR/Cas9-Systems, die in die Zygote mikroinjiziert werden müssen, und erklären Sie, wie sie zusammenwirken, um die Ziel-DNA-Sequenz zu erkennen und präzise zu schneiden.
  2. b) In den Versuchen werden zwei große technische Probleme festgestellt: Schnitte außerhalb des Zielorts (Off-Target-Effekte) und genetischer Mosaizismus (einige Zellen der Blastozyste tragen die Veränderung, andere behalten das ursprüngliche, unveränderte Allel). Begründen Sie auf molekularer Ebene und im Hinblick auf die Embryonalentwicklung, warum Mosaizismus entsteht, und sagen Sie voraus, welche gesundheitlichen Folgen er für das geborene Individuum hätte.
  3. c) Unterscheiden Sie genau zwischen somatischer Genomeditierung und Keimbahn-Genomeditierung. Begründen Sie wissenschaftlich, warum die Veränderung der Keimbahn in Embryonen in der internationalen Gemeinschaft auf viel größere ethische und rechtliche Ablehnung stößt als die Gentherapie an somatischen Zellen eines erwachsenen Patienten.
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Fallbeispiele bearbeiten: Biotechnologie und Immunabwehr

Bei einer neuen Situation benennst du die molekulare Veränderung, die beteiligte Zelle, ihre Funktion und eine Grenze des Verfahrens. Es genügt nicht, nur eine Technik zu nennen.

Exkurs: Altersbestimmung in der Erdgeschichte

Die Erde ist etwa 4,6 Mrd. Jahre alt. Um ihre Geschichte zu rekonstruieren, kombiniert man zwei Arten der Altersbestimmung. Bei der relativen Altersbestimmung ordnet man Ereignisse nur in eine Reihenfolge: In ungestörten Sedimentgesteinen liegt die ältere Schicht unten, die jüngere oben (Lagerungsregel). Leitfossilien (kurz existiert, weit verbreitet, leicht bestimmbar) zeigen, dass Schichten an verschiedenen Orten gleich alt sind. Bei der absoluten Altersbestimmung bestimmt man ein Alter in Jahren: Radioaktive Isotope zerfallen mit konstanter Halbwertszeit $T_{1/2}$; nach jeder Halbwertszeit ist nur noch die Hälfte übrig (z. B. C-14 mit $5\,730$ Jahren).

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Themenprojekt. Übernehmen Sie die Rolle eines wissenschaftlichen Beraters und erstellen Sie einen Fachbericht über die tatsächlichen Auswirkungen der Biotechnologie auf…

Themenprojekt. Übernehmen Sie die Rolle eines wissenschaftlichen Beraters und erstellen Sie einen Fachbericht über die tatsächlichen Auswirkungen der Biotechnologie auf unser Umfeld.

  1. Beschaffung amtlicher Daten: Rufen Sie die Website des spanischen Ministeriums für Landwirtschaft, Fischerei und Ernährung (Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, MAPA) auf und tragen Sie die Anbaufläche (in Hektar) von gentechnisch verändertem Mais ($MON\,810$) in Spanien in den letzten drei verfügbaren Jahren zusammen.

  2. Grundlagen der Gentechnik: Erstellen Sie ein erklärendes Schema des biotechnologischen Verfahrens zur Herstellung dieses GVO und beschreiben Sie dabei den Einsatz von Restriktionsenzymen, Klonierungsvektoren, DNA-Ligase sowie die Methoden des Gentransfers und der Genintegration.

  3. Analyse der Anwendungen: Vergleichen Sie diese landwirtschaftliche Anwendung mit einer medizinischen (wie der Gewinnung von rekombinantem Insulin oder einer Therapie mittels $CRISPR/Cas9$) und berechnen Sie die prozentuale Veränderung der Anbaufläche mit einer Nachkommastelle (zum Beispiel $+2,5\,\%$).

  4. Bioethisches Gutachten: Verfassen Sie einen abschließenden begründeten Vorschlag, der die ökologische Nachhaltigkeit, den Genfluss auf Wildarten und die sozioökonomischen Auswirkungen der Nutzung biotechnologischer Patente bewertet.

Bewertet werden:

  • Begriffliche Genauigkeit bei der Beschreibung der Werkzeuge und Schritte der rekombinanten DNA-Technik.

  • Sorgfalt bei der Beschaffung, tabellarischen Darstellung und prozentualen Auswertung der amtlichen Daten des MAPA.

  • Kritische und zusammenhängende Argumentation zu den landwirtschaftlichen und biomedizinischen Anwendungen aus bioethischer Perspektive.

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Auf einen Blick

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