... und mit PowerPoint-Präsentationen.

Die Biotechnologie nutzt Mikroorganismen, wie Bakterien, Schimmelpilze oder Hefen, zur Herstellung chemischer Verbindungen. Dazu gehören z.B. Kunststoffe, Enzyme, Nahrungsmittelzusätze oder bestimmte Medikamente. Die verwendeten Organismen stellen diese Stoffe entweder natürlicherweise her oder wurden zu diesem Zweck gentechnisch verändert. Mikroorganismen können mehrere Wochen auf einem Nährboden im Kühlschrank oder langfristig bei -80°C in einem Tiefkühlschrank gelagert werden

Grundlage eines erfolgreichen biotechnologischen Prozesses ist das sterile Arbeiten und die keimfreie Umgebung. Keime sind aber allgegenwärtig auf Oberflächen, auf unserer Haut, in unserem Atem. Um also sicherzustellen, dass auf dem Nährboden oder in einer Nährlösung nur der Mikroorganismus wächst, der auch das gewünschte Produkt herstellt, müssen alle Lösungen, Materialien und Geräte steril sein. Daher werden die verwendeten Flüssigkeiten zunächst im sogenannten Autoklaven bei 121 °C unter Druck sterilisiert. Leere Glasgefäße können in einem Trockenschrank bei 180 °C von Keimen befreit werden.

Vor Beginn der Arbeit müssen die Arbeitsfläche und die Hände desinfiziert werden. Dann wird der Mikroorganismus ausgehend von einem Nährboden in die sterile Lösung überführt. Die Mikroorganismen werden anschließend in einen Schüttelinkubator gestellt, in dem sie bei einer bestimmten Temperatur unter Schütteln wachsen können. Ist die Suspension ausreichend lange gewachsen, kann das hergestellte Produkt aus den Zellen herausgeholt und isoliert werden. Alternativ kann das Wachstum der Mikroorganismen auch in einem computergesteuerten Bioreaktor stattfinden.

In der biotechnologischen Industrie sind Bioreaktoren die Produktionsstätten, in denen sich die Mikroorganismen unter optimalen Bedingungen - ausreichende Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff, Regulierung von Temperatur und pH-Wert - vermehren und damit auch das gewünschte Produkt in großen Mengen herstellen 

Bioreaktoren in der Produktion können ein Volumen von mehreren 100 Kubikmetern haben. Diese hochtechnischen Anlagen sind computergesteuert und -überwacht. Unsere Bioreaktoren haben mit 2 L Volumen eine bescheidenere Größe, dennoch besitzen diese Geräte alle wesentlichen Funktionen eines großen Produktionsreaktors.

Zwei Tage lang arbeiten unsere Abschlussklassen im Gymnasium und im Berufskolleg mit den Reaktoren und kultivieren die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae.

Einige Einstellungen werden vom Computer überwacht und gesteuert. So wird z.B. automatisch Lauge in den Bioreaktor gepumpt, wenn der pH zu stark absinkt oder die Rührerdrehzahl erhöht, wenn zu wenig Sauerstoff im Nährmedium gelöst ist. Damit kann die Hefe unter optimalen Bedingungen wachsen.

Andere Parameter werden von den Schülern selbst überwacht. Durch regelmäßige Entnahme von Proben aus dem Bioreaktor können die Zellzahl durch Zählung im Mikroskop und die Zelldichte durch Absorptionsmessung im Fotometer bestimmt werden.

Die als Energiequelle zugegebene Glucose (Traubenzucker) wird von der Hefe in Alkohol, genauer Ethanol, umgewandelt. Die mit der Zeit abnehmende Glucosekonzentration und die parallel steigende Ethanolkonzentration können durch Verwendung enzymatischer Tests ebenfalls im Fotometer quantifiziert werden.

DNA, das Erbgut aller Organismen, ist ein Molekül, das zum Verständnis der Biotechnologie grundlegend ist. Im Theorieunterricht werden der genaue Aufbau und die Eigenschaften der DNA besprochen, im Praxisunterricht wird die DNA z.B. aus Bakterien isoliert und untersucht. Zu Beginn dieses Versuches müssen ausreichende Mengen an Bakterien zur Verfügung stehen. Dazu lässt man Bakterien in Nährmedien in einem Schüttelinkubator über Nacht wachsen. Um das Nährmedium zu entfernen, werden die Bakterien durch Zentrifugation von der wässrigen Flüssigkeit abgetrennt. In mehreren Schritten, durch die die Bakterienzellen zunächst aufgebrochen und alle anderen Zellbestandteile zerstört werden, erhält man dann die DNA. Um den Erfolg der DNA-Isolierung zu überprüfen, wird sie in einer Elektrophorese mit einem Agarosegel (zum Prinzip der Elektrophorese siehe auch "Ein Labor in der Schule") analysiert. Da DNA farblos ist, setzt man einen Farbstoff zu, der unter UV-Licht die DNA leuchten lässt.

Ein biotechnologisch hergestelltes Produkt sind Restriktionsenzyme, sie können DNA-Moleküle an ganz bestimmten Stellen zerschneiden. Durch ihre Entdeckung wurde die Gentechnik ermöglicht. Dieses Teilgebiet der Biotechnologie nutzt - vereinfacht dargestellt - Restriktionsenzyme, um ein Gen aus der DNA eines Organismus herauszuschneiden, so dass es in die DNA eines anderen Organismus eingebaut werden kann. So wurden z.B. Bakterien erzeugt, die das gfp-Gen der Pazifischen Qualle Aequorea victoria tragen. Wie die Qualle auch leuchten diese Bakterien unter UV-Licht grün.

Die Bakterien, die zur Herstellung des Restriktionsenzyms genutzt werden, sind gentechnisch verändert. Im Schüttelinkubator lässt man sie in Nährmedium bis zu einer bestimmten Dichte wachsen. Nach Entnahme einer kleinen Bakterienprobe wird durch Zugabe einer Chemikalie die Herstellung des Enzyms gestartet. Am Ende der Kultivierung wird wieder eine kleine Probe entnommen. Die beiden Proben werden erhitzt, so dass die enthaltenen Bakterienzellen zerstört werden und alle Proteine frei in Lösung vorliegen. Diese Proteine können nun - vereinfacht dargestellt - in einer Elektrophorese in einem sogenannten Polyacrylamid-Gel nach Größe getrennt werden. Nach Abschluss der Elektrophorese werden die Proteine mit einem blauen Fabrstoff angefärbt, um sie sichtbar zu machen.

Die Auswertung erfolgt durch den optischen Vergleich der Proben vor und nach der Enzymherstellung. Wenn der Versuch erfolgreich war, wird an einer Stelle im Proteinmuster der zweiten Probe ein zusätzliches blaues Signal erkennbar. Durch einen Protein-Standard mit Proteinen bekannter Größe kann diesem zusätzlichen Signal eine Größe zugeordnet werden und damit sichergestellt werden, dass es sich wirklich um das gewünschte Enzym handelt.

Nach Ende der Wachstumsphase werden die restllichen Bakterien von der Nährlösung durch Zentrifugation abgetrennt. Um die Enzyme zu isolieren, müssen die Bakterien zerstört werden, ohne die Enzyme zu schädigen. Dazu wird Ultraschall verwendet, der die Zellen zerreißt. Die Enzyme sind nun frei in der Lösung, müssen aber noch von allen anderen Zelltrümmern und der DNA abgetrennt werden. Dazu wird ein Verfahren der Chromatographie verwendet. Durch spezifische Bindung der Enzyme an kleine Kugeln können sie zunächst von Zelltrümmern und anderen Zellbestandteilen abgetrennt werden, um anschließend, nach Ablösung von den Kugeln, in sauberer Form isoliert zu werden.

Während dieser Reinigung der Enzyme dürfen die Proben nicht zu warm werden und werden daher zwischen den einzelnen Schritten immer wieder in einem Eisbad gekühlt. Abschließend erfolgt die Kontrolle, ob die Restriktionsenzyme immer noch DNA schneiden können, und damit die Isolierung erfolgreich war. Da man heutzutage diese Enzyme auch kaufen kann, wird ein bestimmtes DNA-Molekül mit dem selbst hergestellten und dem gekauften Enzym geschnitten. Da jedes Restriktionsenzym ein typisches "Schnittmuster" erzeugt, kann das Ergebnis in einer Agarosegelelektrophorese optisch verglichen werden.

Um die Arbeit in einem Labor hautnah zu erleben, muss man nicht bis zum Beginn der Ausbildung oder des Studiums warten. Nein, man kann zu uns, in die Labore der Haus- und Landwirtschaftlichen Schulen kommen. Diese Labore sind die Arbeitsräume der Schüler, die sich für den biotechnologischen Zweig entscheiden – die Schüler im Biotechnologischen Gymnasium (BTG) oder die Auszubildenden des Berufskollegs für Biotechnologische Assistenten (BKBT).

Gerne öffnen wir diese Labor aber auch für Interessenten anderer Schulen. So geschehen im Juli 2017 für zwei Schülergruppen der Grimmelshausenschule in Renchen. Jeweils begleitet von ihrer Lehrerin, Frau Isenmann, konnten wir am Montag, den 17. Juli, interessierte Neuntklässler, und am Dienstag, den 18. Juli, Mitglieder der AG Astronomie bei uns begrüßen.

17. Juli: Wie isoliere ich meine DNA und was ist eine Gelelektrophorese?

Die DNA befindet sich in fast jeder Zelle des menschlichen Körpers. Für unseren Versuch haben wir Zellen aus der eigenen Mundschleimhaut durch vorsichtiges Abschaben entnommen und sie anschließend zerstört, um die DNA aus dem Zellkern herausholen zu können. Durch Zusatz verschiedener Enzyme und Chemikalien trennt man sie dann von allen anderen Zellbestandteilen ab. 

Die Gelelektrophorese ist eine Methode zur Trennung geladener Teilchen, z.B. auch DNA, in einem elektrischen Feld. Als Trägermaterial verwendet man Agarose, die wiederum aus Agar-Agar gewonnen wird. Letzteres kennt man auch als Geliermittel aus der Küche. Wie Agar-Agar härtet auch Agarose nach Aufkochen in einer Flüssigkeit und anschließendem Abkühlen zu einem Gel aus. In dieser Form setzen wir sie in der Elektrophorese ein. Die Farbstoffe, die als Beispiel geladener Teilchen in diesem Versuch voneinander getrennt werden sollen, werden in Vertiefungen dieses Gels pipettiert. Anschließend wird Spannung angelegt und die Farbstoffe wandern entsprechend ihrer Ladung zum Plus- oder zum Minuspol.

18. Juli: Wie arbeite ich mit Mikroorganismen?

Mikroorganismen – wie Bakterien, Hefen und andere Pilze – sind allgegenwärtig.  Nimmt man einen Quadratzentimeter unserer Hand, so können sich in diesem kleinen Bereich bis zu einer Million Bakterien befinden. Möchte man nun im Labor aber nur mit einem bestimmten Bakterienstamm arbeiten, so muss man verhindern, dass die Mikroorganismen auf unserer Haut den gewünschten Stamm verunreinigen. Dazu werden der Arbeitsplatz und alle Arbeitsmaterialien gründlich desinfiziert oder sterilisiert.

Um gezielt mit einem Organismus arbeiten zu können, muss man seine „Vorlieben“ kennen. Das heißt, bei welchen Temperaturen er gut wächst, welche Nährstoffe er braucht, usw. Wenn man diese Bedingungen kennt, stellt man Nährlösungen oder feste Nährböden her, in bzw. auf denen er wachsen kann. So kann man gezielt mit dem einen Organismus arbeiten und ihn auf bestimmte Eigenschaften untersuchen.