Biotechnologie

Biotechnologie ist ein Fach, welches nur von wenigen auserwählten Schulen in Deutschland angeboten werden darf. Es kann in der Q-Phase als Ersatz für eine andere Naturwissenschaft (Chemie oder Biologie) belegt werden.

Die Verbindungen zwischen biologischen und chemischen Themen ist vielfältig. Hinter vielen makroskopisch sichtbaren boiologischen Phänomenen stecken chemische Prozesse. Diese können sowohl mit biologischen, als auch mit chemischen, aber auch physikalischen Methoden beschrieben und erklärt werden. So entstehen auch technische Möglichkeiten, diese Prozesse, z. B. bei der Produktion von Nahrungsmitteln anzuwenden.

Beispielthema: Milch und Milchprodukte (Q1)

Milchsäuregärung war schon in der Steinzeit  eine Methode, Lebensmittel durch die entstehende Säure haltbar zu machen, ein wichtiges Verfahren bevor der Kühlschrank erfunden wurde. Ein praxisbezogenes Thema im Rahmen der Biotechnologie ist, wie Joghurt und Käse entstehen. Dabei spielt die Mikrobiologie (Fermentation), das Charakterisieren der Milchsäure produzierenden Bakterien eine Rolle. Warum wird die Milch sauer, wenn sie länger steht? Der chemische Prozess, die Milchsäuregärung, ist eine Redoxreaktion, der unter Ausschluss von Luftsauerstoff abläuft.

Weiteres Beispielthema: Enzyme (molekulare Erkennung) (Q2)

Der Stoffwechsel in Organismen besteht aus chemischen Reaktionen, die von Enzymen, einer Stoffklasse der Proteine, katalysiert und gesteuert werden. Ein Enzym, das wir beobachten können, ist z.B. die Glucoseoxidase (GOD). Dieses katalysiert spezifisch die Oxidation der Glucose zur Gluconsäure und Wasserstoffperoxid. Dieses Enzym wird bei der Messsung von Blutzucker bei  Diabetikern eingesetzt. Durch das Entstehen von Wasserstoffperoxid wird dabei  Iodid zu elemetarem Iod oxidiert, welches mit Stärke durch die Iod/Stärke-Reaktion (Blaufärbung) nachgewiesen wird.

Enzyme haben eine aufwändige Struktur, welche durch die Wechselwirkung der Aminosäurenseitenreste des Polypeptids zustande kommt. Diese wird als Tertiärstruktur bezeichnet. Dabei entstehen helikale und gefaltete Muster.

Beispielthema in Q3 Molekulargenetik/Gentechnik

Die Information, z.B. für die Struktur und die Eigenschaften von Proteinen, ist in der Desoxyribonucleinsäure (DNS) (englisch: DNA) gespeichert. Die Struktur ist eine Doppelhelix (Watson/Crick-Modell), einer rechtsgängigen Doppel-Schraube (B-DNA), wobei die komplememtären Basen der Desoxynukleotide Adenin und Thymin und Guanin und Cytosin in der Mitte des Phosporsäurediesterrückens orientiert (gestackt) und über Wasserstoffbrücken spezifisch verbunden sind.

DNA ist im neutralen bis alkalischen Bereich negativ geladen. Daher kann DNA durch Gel-Elektrophorese getrennt werden. Die negativ geladenen DNA-Moleküle laufen im elektrischen Feld je nach Größe (logarithmisch) zum positiven Pol. Das Gel dient dazu die Diffusion zu hemmen. Die farblose DNA wird mit Fluoreszenzfarbstoffen angefärbt.

Gentechnik

Verändern der gentischen Information von Organismen: Schneiden von DNA, ligieren, transformieren und selektieren.

An der Max-Beckmann-Schule existiert ein S1-Labor für gentechnische Arbeiten. Hier können Gene, wie z. B. das Leuchtgen aus der Qualle Aequorea victoria, das green fluorescent protein (GFP) in E. coli transformiert werden. Es ist ein oft benutztes Reportersystem.