Experimente zur Gentechnik im Biologieunterricht. Evaluation der Selbsteinschätzung und des reellen Lernzuwachses der Schüler

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Sachanalyse
2.1. Definition und Möglichkeiten von Gentechnik
2.2. Theorie zu Versuch
2.2.1. Aufbau der DNA
2.2.2. Replikation von DNA
2.2.3. Isolation von DNA aus eukaryontischen Zellen
2.3. Theorie zu Versuch
2.3.1. Das Bakterium Escherichia coli
2.3.2. Proteinbiosynthese
2.3.3. Das Operon-Modell
2.3.4. Regulation des Lactoseabbaus bei Escherichia coli
2.4. Theorie zu Versuch
2.4.1. Enzymatik
2.4.2. Restriktionsendonucleasen
2.4.3. Gelelektrophoretische Auftrennung der DNA
2.4.4. Der Bakteriophage Lambda
2.4.5. Restriktion und Gelelektrophorese von Phagen-DNA

3. Didaktische Analyse
3.1. Funktion und Lehrziele von (gentechnischen) Experimenten im Biologieunterricht
3.2. Die Begriffe „Interesse“ und „Motivation“
3.3. Charakterisierung der Lerngruppe
3.4. Bezug zum hessischen Lehrplan
3.5. Einordnung in die aktuelle Unterrichtsreihe
3.6. Referenzkriterien
3.7. Tabellarische Übersicht des geplanten Unterrichtsverlaufes

4. Methodische Analyse
4.1. Ziel der Evaluation
4.2. Verfahren der Datenerhebung
4.2.1. Testgütekriterien
4.2.2. Fragebogen und Stichprobe
4.3. Auswertungsmethoden
4.3.1. Quantitative Auswertung der geschlossenen Items
4.3.2. Qualitative Auswertung der offenen Items
4.3.3. Auswertung der vor- und fachwissenbezogenen Items

5. Ergebnisse
5.1. Ergebnisse der quantitativen Items
5.2. Ergebnisse der qualitativen Items
5.3. Ergebnisse der vor- und fachwissenbezogenen Items

6. Diskussion und Reflexion
6.1. Interpretation und Diskussion der Ergebnisse der Untersuchung
6.2. Reflexion der Experimente

7. Zusammenfassung

8. Literaturverzeichnis

9. Abbildungsverzeichnis

Anhang

1. Einleitung

In den folgenden Absätzen werden zunächst der Gegenstand der Arbeit sowie der Hintergrund der Fragestellung erläutert. Anschließend wird die Fragestellung selbst geklärt. Außerdem werden die Inhalte der einzelnen Kapitel kurz zusammengefasst.

Das Experiment ist zweifelsohne die Methode des naturwissenschaftlichen Unterrichts. In den Fächern Physik und Chemie ist der Stellenwert des Experiments verhältnismäßig hoch, wohingegen es im Fach Biologie im täglichen Unterrichtsgeschehen immer noch zu wenig Beachtung findet. Die Oberstufe und insbesondere der Leistungskurs sollen auf das spätere Hochschulstudium vorbereiten, daher ist es unumgänglich, die Schüler^[1] von Anfang an mit den Methoden der Wissenschaft vertraut zu machen. Die Oberstufe soll jedoch nicht ausschließlich in fachwissenschaftlicher Hinsicht auf das Universitätsstudium vorbereiten, sondern die Schüler zu selbstständigem Denken und Handeln erziehen.

Durch die Einführung von Bildungsstandards und einheitlichen Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung in Hessen nimmt die Forderung nach Methodenkompetenz und Selbstständigkeit der Schüler stetig zu. Im Gegensatz zum Grundkurs sollen die Schüler eines Leistungskurses die biologischen Sachverhalte verstärkt anhand von Experimenten oder anderen praktischen Übungen erlernen und die Aufgaben möglichst selbstständig bearbeiten.^[2]

Kaum ein anderes Themengebiet eignet sich besser, die Schüler zu selbstständig denkenden Persönlichkeiten zu erziehen als die Genetik. Dank der extremen Medienpräsenz und der intensiven politischen Diskussion über molekulargenetische Arbeitsmethoden werden die Schüler immer wieder mit dem Thema Gentechnik konfrontiert. Eine Stellungnahme zu Themen wie die Entschlüsselung des menschlichen Genoms oder DNA-Fingerprinting in der Kriminalistik ist jedoch kaum möglich ohne ein fundiertes Basiswissen, zu welchem zweifelsohne auch Kenntnisse über die entscheidenden Methoden der Molekulargenetik zählen. Viele der gentechnischen Methoden lassen sich nur unter hohem finanziellen, zeitlichen und technischen Aufwand durchführen, so dass in der Schule nur sehr selten entsprechende Experimente durchgeführt werden. Es existieren dennoch einige einfache Modellversuche, welche den Schülern in relativ wenigen Schulstunden die Methoden und Grundlagen der Gentechnik vermitteln können.

Ziel dieser Arbeit ist es, drei verschiedene Experimente zur Gentechnik auf ihre Effektivität bezüglich des Lernzuwachses^[3] zu prüfen. Diese drei Experimente sind:

- Isolation von DNA aus Zwiebeln / Tomaten / Bananen
- Regulation des Lactoseabbaus bei Escherichia coli
- Restriktion und Gelelektrophorese von Lambda-Phagen-DNA

Die zugrunde liegende Frage ist, ob die entsprechenden biologischen Sachinhalte und Methoden der Gentechnik durch Experimente von den Schülern besser verstanden werden als dies durch den rein theoretischen Unterricht möglich wäre. Die Experimente wurden zuvor an einem Wiesbadener Gymnasium in einem Biologie-Leistungskurs der Jahrgangsstufe 12 durchgeführt. Unmittelbar vor und nach den Experimenten wurde der Wissensstand der Schüler durch eine Befragung ermittelt. Als Methode der Befragung wurde ein selbst erstellter Fragebogen verwendet. Anhand der Befragung sollte festgestellt werden, ob der Wissensstand durch die Experimente erweitert werden konnte. Weiterhin sollten die Schüler in der Befragung ihre eigenen Lernfortschritte und ihren Lernzuwachs einschätzen, da die Selbsteinschätzung ein wichtiger Bestandteil des selbstständigen Denkens ist. Anhand dieser Arbeit soll erforscht werden, inwieweit diese Fertigkeit bei den Schülern vorhanden ist. Die Ergebnisse bezüglich des Lernfortschrittes und der Selbsteinschätzung wurden zusätzlich auf geschlechtsspezifische Unterschiede untersucht. Letztlich wurden durch die Befragung auch Vorschläge zur Verbesserung der Experimente ermittelt. Anhand der Verbesserungsvorschläge der Schüler kann der Biologieunterricht für die Schüler attraktiver und erfolgreicher gestaltet werden.

Im folgenden Kapitel, die Sachanalyse, werden zunächst die theoretischen Sachinhalte beschrieben, die für die Durchführung und für das Verständnis der Versuche notwendig sind. Anschließend werden alle drei Versuche genauer sowie deren erwartetes Ergebnis dargestellt. Im darauf folgenden Kapitel, die didaktische Analyse, wird zunächst der Stellenwert von gentechnischen Experimenten im Biologieunterricht erörtert und anschließend folgt die methodische Ausarbeitung der Unterrichtseinheit. Diese beinhaltet die Charakterisierung der Lerngruppe, den Lehrplanbezug sowie die Einordnung in die aktuelle Unterrichtsreihe. Anschließend werden die Experimente in Bezug auf die Fach-, Schüler- und Gesellschaftsrelevanz erläutert und die Lehrziele definiert. Weiterhin werden in Kapitel drei die Inhalte der einzelnen Stunden strukturiert und eine tabellarische Übersicht über den geplanten Verlauf der Stunden aufgestellt.

Kapitel vier behandelt die methodische Analyse, wobei zunächst das Ziel der Evaluation geklärt wird. Anschließend wird die Verfahrensweise der Untersuchung beschrieben. In diesem Abschnitt folgen außerdem die Konstruktion des Fragebogens sowie die Auswahl der Items. Der nächste Abschnitt des vierten Kapitels führt die Auswertungsmethoden der Befragung aus, wobei zwischen quantitativer Auswertung der geschlossenen Items, qualitativer Auswertung der offenen Items sowie der Auswertung der vor- und fachwissenbezogenen Items unterschieden wird.

Im fünften Kapitel werden die Ergebnisse der Untersuchung offen gelegt, wobei auch hier zwischen qualitativen, quantitativen und vor- und fachwissenbezogenen Items differenziert wird. In Kapitel sechs werden die Ergebnisse interpretiert. Hier werden auch die Versuchsergebnisse vorgestellt, wobei auch darauf eingegangen wird, welche Schwierigkeiten sich bei der Planung und Durchführung der Experimente ergeben haben und ob diese für die Schule empfehlenswert sind oder nicht.. In Kapitel sieben findet die Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse statt.

2. Sachanalyse

Im folgenden Teil werden die Gentechnik an sich sowie die gängigen Methoden und Analyseverfahren beschrieben. Zusätzlich werden die theoretischen Sachinhalte dargestellt, auf welchen die drei Schulversuche basieren. Nach der Darstellung der Sachinhalte folgt die Beschreibung der Experimente mit Durchführung und erwarteten Ergebnissen.

2.1. Definition und Möglichkeiten von Gentechnik

Erst seit einer Entdeckung im Jahr 1974 wurde die Gentechnik überhaupt erst möglich. In diesem Jahr gelang es einer amerikanischen Forschergruppe um S. Cohen und A. Chang ein kleines DNA-Fragment eines Frosches in ein Plasmid des Bakterium Escherichia coli einzuschleusen, so dass sich die DNA des Frosches bei jeder Zellteilung des Bakteriums mitvermehrte. Plasmide sind ringförmige DNA-Fragmente, welche neben dem einzelnen Chromosom im Bakterium vorkommen. Die Forschergruppe entdeckte außerdem im Bakterium Restriktionsenzyme, welche die DNA an definierten Stellen zerschneiden können^[4].

Die Gentechnik ist aber nur aufgrund von zwei essentiellen Tatsachen möglich:

- „Der genetische Code ist bei allen Lebewesen gleichartig: Die Erbinformation ist als Abfolge von Nukleotiden, also von Bausteinen der Nucleinsäuren, gespeichert.
- Der Aufbau von Eiweißstoffen wird von Nukleinsäuren (DNA, RNA) gesteuert: Die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Eiweißmolekül entspricht der Nukleotidsequenz eines bestimmten Nukleinsäureabschnittes.“^[5]

Unter dem Begriff „Gentechnik“ versteht man die „gezielte Übertragung fremder Gene in den Genbestand einer Zelle bzw. eines Organismus“^[6]. Diese Genübertragung macht man sich vor allen Dingen in der Produktion von Medikamenten zu Nutze, allerdings auch in der Nutzpflanzenzüchtung. Mittels der Gentechnik lassen sich aber auch eine ganze Reihe genetisch bedingter Krankheiten genau untersuchen und frühzeitig erkennen. Nach wie vor ist das Human Genom Project eines der umfangreichsten Ziele der Gentechnik, wobei das gesamte menschliche Erbgut entschlüsselt werden soll.

Doch nicht nur in der Medizin spielt die Gentechnik mittlerweile eine große Rolle, auch in die Verbrechensbekämpfung und der Analyse von Vaterschaften hat die Gentechnik Einzug gehalten. Im Folgenden werden daher einige Möglichkeiten der Gentechnik genauer beschrieben.

Herstellung von Medikamenten

Das Bauchspeicheldrüsenhormon Insulin war eine der ersten Substanzen, die in großem Stil mit den gentechnischen Methoden hergestellt wurden. Insulin wird mittels gentechnisch umprogrammierten Bakterien gewonnen, welche auf die Herstellung des Proteins spezialisiert sind. Vor der gentechnischen Herstellung wurde Insulin aus der Pankreas von Schweinen oder Rindern gewonnen, jedoch kann das Insulin zum einen durch Keime verunreinigt sein und zum anderen unterscheidet sich das tierische Insulin leicht vom menschlichen Insulin, so dass es zu Abstoßungsreaktionen kommen kann^[7].

Das menschliche Insulingen wird mittels Restriktionsenzymen in das Plasmid von E.coli eingebaut. Das Insulinmolekül besteht aus zwei Polypeptidketten, die miteinander über Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Die Gene für beide Polypeptidketten werden in zwei unterschiedliche Bakterien eingebaut. Die Restriktionsenzyme der Bakterien müssen hierfür zuvor das Plasmid direkt nach dem β-Galactosidase-Gen aufgeschnitten haben. Das Insulingen wird also mitten in das lac-Operon von E.coli inseriert. Das letzte Codon des β-Galactosidase-Gens codiert für Methionin. Das Plasmid wird anschließend wieder in E.coli überführt, so dass E.coli neben den eigenen Genen auch das Insulingen abliest. Jedoch findet die Synthese von Insulin erst in Anwesenheit von Lactose statt, da nur dieses Substrat den bakteriellen Promotor aktivieren kann. Durch Zugabe von Bromcyan nach der Synthese können die beiden Polypeptidketten von der β-Galactosidase getrennt werden, da Bromcyan Proteine nach Methionin spalten kann. Die beiden Ketten werden anschließend wieder verknüpft, indem Cystein-Reste miteinander reagieren. In einem Bioreaktor kann das Insulin in großer Menge hergestellt werden^[8].

Polymerasekettenreaktion

1983 wurde die PCR (polymerase chain reaction) von Karry Banks Mullis entwickelt und dient der in vitro Vervielfältigung winzigster, definierter DNA-Abschnitte. Nach Abschluss der PCR ist eine DNA-Analyse möglich.

Der Prozess gliedert sich in drei sich mehrfach wiederholende Zyklen: Denaturierung, Anlagerung der Primer (Annealing) und Polymerisierung. Für die Vervielfältigung wird eine DNA-Polymerase benötigt, welche wiederum einen Primer benötigt, um einen Tochterstrang synthetisieren zu können. Bei der PCR werden beide Einzelstränge der DNA vervielfältigt, so dass für jeden Strang ein Primer benötigt wird. Die Anlagerungspunkte der Primer sind bekannt und werden so gewählt, dass „die Synthese der beiden Stränge gegenläufig erfolgt und somit der DNA-Bereich vervielfältigt wird, der zwischen den beiden Primern liegt“^[9]. Zusätzlich zu der DNA-Polymerase und den Primern müssen in die Vervielfältigungslösung noch die vier Desoxynukleotide hinzugegeben werden.

Im ersten Schritt, die Denaturierung, werden die beiden DNA-Stränge voneinander getrennt, indem der Reaktionsansatz auf ca. 90°C erhitzt wird. Im zweiten Schritt, das Annealing, lagern die Primer an die voneinander getrennten DNA-Stränge. Im dritten Schritt, die Synthese, findet die Polymerase-Reaktion statt, wobei die DNA-Polymerase die Desoxynukleotide komplementär zu den Matrizensträngen synthetisiert. Folgendes Schema zeigt die Zyklen der PCR:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für alle drei Schritte werden unterschiedliche Temperaturen benötigt, so dass die PCR in einem Thermocycler stattfindet. In jedem Durchgang wird die Menge der DNA verdoppelt, so dass nach etwa 25 Zyklen die DNA-Menge um den Faktor 106 oder 107 vermehrt wurde. Da allerdings die Temperatur im Thermocycler stark schwankt und zum anderen zeitweise sehr hoch ist, um die DNA-Matrize zu denaturieren, wird eine thermostabile DNA-Polymerase benötigt. Man gewinnt sie aus dem Bakterium Thermus aquaticus, welches auch bei 95°C noch leben kann. Die aus dem Bakterium gewonnene Taq-Polymerase denaturiert folglich im ersten Schritt des Zyklus nicht.

Mittels der PCR lassen sich kleinste Mengen an DNA soweit vervielfältigen, dass eine Analyse möglich ist. Daher nutzt man die PCR für die Analyse von Erbkrankheiten oder für kriminalistische Untersuchungen^[10].

DNA-Fingerprinting / Vaterschaftstest

Durch das DNA-Fingerprinting lassen sich Personen eindeutig bestimmen. Im menschlichen Genom existieren bestimmte DNA-Bereiche, welche sich immer wieder wiederholen. Die Basensequenzen sind meist recht kurz, jedoch liegen sie in Tandem-Form aneinandergereiht vor. Man bezeichnet diese Bereiche als Mini-Satelliten-DNA, wobei sie sich in der Anzahl der Wiederholungen der Sequenzen von Person zu Person unterscheidet (variable number of tandem repeats, VNTR). Diese VNTRs werden für den DNA-Fingerprint verwendet^[11].

Um eine Person eindeutig zu identifizieren, wird die DNA dieser Testperson mittels Restriktionsenzymen an beiden Seiten der VNTRs geschnitten und anschließend gelelektrophoretisch aufgetrennt. Die VNTR-Fragmente können sichtbar gemacht werden, so dass sich für jede Person ein eindeutiges Bandenmuster im Elektrophoresegel ergibt.

Für den Vaterschaftstest werden die VNTR-Regionen von Mutter, Vater und Kind untersucht. Da das Kind je die Hälfte der eigenen VNTR-Regionen von Vater und Mutter erbt, müssen die Banden im Gel entweder der Mutter oder dem Vater zuzuordnen sein. Wenn die Banden des Kindes nicht der Mutter zugeordnet werden können, müssen sie vom Vater stammen und auf seinem Bandenmuster zu erkennen sein.

Gentherapie

Zwei Formen der Gentherapie werden heutzutage unterschieden: Die somatische Gentherapie und die Keimbahntherapie. In der Gentherapie wird therapeutisch wirksames genetisches Material in den Organismus eingeschleust, um dort gezielt Krankheiten heilen zu können.

Bei der somatischen Gentherapie werden Erbdefekte in Körperzellen behoben, ohne dass jedoch die genetisch übertragenen Gene mittels der Geschlechtszellen in die nächste Generation übertragen werden können. Bei dieser Form der Gentherapie werden gentechnisch veränderte Viren in den Körper eingeschleust. Diese Viren tragen das entsprechende Gen in ihrem Genom, welches im Genom des Patienten defekt ist. Die Viren sollen ihr Genom in das Genom des Patienten einbauen und somit den Gendefekt ausgleichen. Jedoch ist dies Methode äußerst riskant, da noch nicht sichergestellt werden kann, dass die Viren ihr Genom an der richtigen Stelle des Genoms des Patienten einbauen und nicht ein intaktes Gen beim Einbau zerstören. Nicht zuletzt sind an einer genetisch bedingten Krankheit auch unkontrollierbare Umweltfaktoren beteiligt, sowie meist mehrere defekte Gene^[12].

Bei der Keimbahntherapie können alle Nachkommen von erbkranken Menschen von den Gendefekten befreit werden^[13]. Diese Form der Therapie ermöglicht es, rekombinierte DNA in einen Embryo einzuschleusen und diesen Embryo anschließend der Mutter einzusetzen. Es ist damit sichergestellt, dass der Embryo keinesfalls an einem Gendefekt leidet. Die Keimbahntherapie kommt daher in der Präimplantationsdiagnostik zum Tragen, wobei der Embryo in vitro auf mögliche Gendefekte untersucht wird und im Zweifelsfall entsprechend behandelt bzw. „verworfen“ wird^[14].

Die Keimbahntherapie ist in Deutschland allerdings verboten. Seit 1991 existiert das Embryonenschutzgesetz, welches die missbräuchliche Erzeugung und Anwendung von Embryonen verbietet. Das Gesetz soll verhindern, dass sich mehr Embryonen in vitro entwickeln können, als für eine Schwangerschaft von derjenigen Frau gewünscht werden, von welcher die Eizelle stammt. Sämtliche Fortpflanzungstechniken dürfen nur dann angewendet werden, wenn diese eine Schwangerschaft der Eizellenspenderin herbeiführen sollen^[15].

2.2. Theorie zu Versuch 1

2.2.1. Aufbau von DNA und RNA

Die DNA – Desoxyribonucleinsäure – ist „diejenige Substanz, in der in den meisten Organismen die Erbinformationen codiert sind, die bei jeder Zellteilung an die Tochterzellen weitergegeben werden. Sie ist damit für die Struktur und alle physiologischen und biochemischen Charakteristika fast aller lebenden Organismen verantwortlich.“^[16].

Die Grundbausteine der DNA und RNA sind Nucleotide, welche gemeinsam ein hochmolekulares Polymer bilden^[17]. Die Nucleotide bestehen aus einem Zucker (eine fünfgliedrige, ringförmige Pentose), einem Phosphatrest und einer Base. Die Verbindung aus Pentose und Phosphatrest bezeichnet man als Nucleosid, die Verbindung von Nucleosid mit einer Base bezeichnet man als Nucleotid.

Die Pentose der DNA ist Ribose, welche an Kohlenstoffatom Position 2’ anstatt einer Hydroxylgruppe ein Wasserstoffatom trägt, daher der Name Desoxy ribose. Die Basen sind über eine N-glykosidische Bindung kovalent mit der Desoxyribose an Position 1’ verbunden. An Position 5’ ist die Desoxyribose mit der Phosphatgruppe mittels Phosphodiesterbrücken^[18] verestert. Man unterscheidet die Basen in zwei verschiedene Gruppen: Die Pyrimidinbasen Cytosin und Thymin bestehen aus einem 6-gliedrigen Ringsystem. Die Purinbasen Adenin und Guanin bestehen aus zwei sich überlappenden Ringsystemen mit fünf, bzw. sechs Gliedern.

Die Desoxyribose und die Phosphatreste bilden das Rückgrat der DNA, wobei sich der Zucker und der Phosphatrest jeweils abwechseln. Durch diese Abwechslung unterscheiden sich die Enden des Rückgrates. Am einen Ende liegt das freie 3’-Kohlenstoffatom des Zuckers, am anderen Ende das freie 5’-Kohlenstoffatom des Zuckers, daher spricht man auch von 3’- oder 5’-Ende der DNA.

[...]

^[1] In der gesamten Arbeit schließt die männliche Form „Schüler“ auch die weibliche Form mit ein, sofern dies nicht anders gekennzeichnet ist.

^[2] vgl. Beschluss der Kultusministerkonferenz. EPA, S. 9.

^[3] Die Begriffe „Lernzuwachs“ und „Wissenszuwachs“ werden in der Arbeit synonym verwendet.

^[4] vgl. Bayrhuber und Lucius: Handbuch Mikrobiologie. Band 2, 1997, S. 36.

^[5] Bayrhuber und Lucius: Handbuch Mikrobiologie, Band 2, 1997, S. 36.

^[6] Scharf und Scharf: Modellversuche, 2000, S. 36.

^[7] vgl. Baron et al.: Grüne Reihe, 2004, S. 114.

^[8] vgl. Gassen: Gentechnik, 1996, S. 233.

^[9] Munk: Genetik, 2001, S. 11-20.

^[10] vgl. Munk: Genetik, 2001, S. 11-22.

^[11] vgl. Munk: Genetik, 2001, S. 11-27.

^[12] vgl. Kattmann: Schöne neue Welt, 2004, S. 7.

^[13] vgl. Munk: Genetik, 2001, S. 11-36.

^[14] vgl. Hößle: Präimplantationsdiagnostik, 2003, S. 6.

^[15] vgl. Hößle, Präimplantationsdiagnostik, 2003, S. 6.

^[16] Ibelgaufts: Gentechnologie von A bis Z, 1990, S. 137.

^[17] vgl. Munk: Genetik, 2001, S. 1-4.

^[18] vgl. Löffler: Basiswissen Biochemie, 2001, S. 327.