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Realschule 9 · Biologie
Die Biotechnologie · Die Methoden der Biotechnologie

Die Anwendungen der Biotechnologie

Insulin aus Bakterien, Mais, der sich selbst gegen Schädlinge wehrt, Bakterien, die Ölreste fressen, und DNA-Spuren, die einen Täter überführen: Alle diese Anwendungen nutzen dieselben Werkzeuge der Gentechnik. Wo hilft sie uns, und wo sollten wir genauer hinschauen und abwägen?

Gentherapie und mRNA-Impfstoffe

Manche Kinder werden mit einem schweren Immundefekt geboren (SCID) und müssen in keimfreien Räumen leben. Heute kann man ihnen in einzelnen Fällen eine funktionierende Kopie des defekten Gens (ADA-Gen) in ihre eigenen Immunzellen einbauen. Wie kann man Nukleinsäuren nicht nur erforschen, sondern direkt als Medikament einsetzen?

Gentherapie: Ein Vektor (verändertes Virus) bringt eine funktionierende Kopie eines Gens in die Zelle des Patienten und bis in den Zellkern, wo das korrigierte Gen vorliegt. gesundes Gen Vektor (verändertes Virus) Zellkern korrigiertes Gen Zelle des Patienten
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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 Medikamente: das Beispiel Insulin

Menschen mit Diabetes Typ 1 müssen Insulin spritzen. Früher kam es aus der Bauchspeicheldrüse von Schweinen und Rindern. Heute wird es meist von Bakterien hergestellt. Wie kommt das?

Herstellung von rekombinantem Insulin: Das menschliche Insulin-Gen wird in ein Plasmid eines Bakteriums eingebaut, die Bakterien wachsen in Bioreaktoren, und man erhält reines Humaninsulin. 1 Insulin-Gen (Mensch) einbauen 2 Plasmid mit Gen veränderte Bakterien 3 Vermehrung im Bioreaktor 4 Reinigung: 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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Transgene Pflanzen

Der Maiszünsler ist ein Schädling: Seine Raupen fressen sich in die Maisstängel und zerstören Ernten. Dagegen helfen oft nur Insektizide, die auch anderen Insekten und dem Boden schaden. Geht es auch so, dass die Pflanze sich selbst schützt?

Bt-Mais: Das Bt-Gen des Bakteriums Bacillus thuringiensis wird in eine Maiszelle übertragen. Die Pflanze bildet das Bt-Protein, das die Raupe des Maiszünslers beim Fressen tötet. Bakterium Bacillus thuringiensis Bt-Gen Gentransfer Maiszelle Bt-Protein Gift Raupe 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

Nach einem Ölunfall bleibt Öl im Wasser und im Boden. Mit Bagger und Pumpe lässt sich nie alles entfernen. Gibt es Lebewesen, die helfen?

Bioremediation eines Ölteppichs: Bakterien bauen Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff ab und erhalten Nährstoffe aus Dünger. Es entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser, die Bakterien vermehren sich. Ölteppich Bakterien Dünger (N, P) Sauerstoff Öl + O₂ + Nährstoffe → CO₂ + H₂O + mehr Bakterien Öl = Kohlenstoff- und Energiequelle
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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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Üben★★☆Nicht begonnen
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 das Erbgut von Embryonen

An einem Tatort findet die Spurensicherung der Polizei nur einen winzigen, eingetrockneten Speichelrest an einem Glas. Wie kann so wenig DNA einen einzigen Menschen unter Millionen überführen?

Derselbe STR-Ort bei zwei Personen: Die Randsequenzen sind gleich, aber die Einheit GATA wiederholt sich bei Person A dreimal und bei Person B fünfmal. Derselbe STR-Ort bei zwei Personen Person A GATA GATA GATA 3 Wiederholungen Person B GATA GATA GATA GATA GATA 5 Wiederholungen Unterschiedliche Zahl der Wiederholungen = unterschiedlich langes DNA-Stück
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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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Alter bestimmen: relativ und absolut

Naturwissenschaftliche Methoden helfen nicht nur bei Spuren am Tatort, sondern auch bei Spuren aus der Erdgeschichte: Fossilien und Gesteine werden zeitlich eingeordnet. Ausführlich lernst du das im Thema „Die Methoden der Altersbestimmung“; hier nur das Prinzip. Bei der relativen Altersbestimmung legt man nur die Reihenfolge fest: In ungestörten Gesteinsschichten liegen die älteren unten, die jüngeren oben. Leitfossilien (kurz existiert, weit verbreitet, leicht bestimmbar) zeigen, dass Schichten an verschiedenen Orten gleich alt sind. Die absolute Altersbestimmung gibt ein Alter in Jahren an. Sie nutzt den radioaktiven Zerfall: Nach jeder Halbwertszeit $T_{1/2}$ ist nur noch die Hälfte des Ausgangsstoffs vorhanden.

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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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