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Begabtenförderung Biophysikalische Untersuchungs-Methoden

7. Juni 2019

Ein Kurs der Regionalen Begabtenförderung Oberfranken – von Clara Hensel

Das erste Treffen unseres Kurses stand unter der Überschrift Chromatographie. Für alle, die nicht wissen was das ist: Bei der Chromatographie nutzt man die unterschiedliche Löslichkeit der Bestandteile eines Farbstoffgemischs, um sie mit Hilfe eines Laufmittels auf einem Träger räumlich zu trennen. Zunächst haben wir Filzstiftpunkte auf Filterpapier untersucht, um die Unterschiede in den Bestandteilen von Stiften unterschiedlicher Hersteller zu untersuchen. Danach haben wir Farbstofflösungen aus Pflanzen gewonnen. Diese wurden auf Kieselgel-DC-Platten aufgetragen (DC = Dünnschichtchromatographie). Bei der Auswertung waren besonders deutlich Carotin bei Karotten und Chlorophyll bei Pflanzen aus dem „DG-Garten“ zu erkennen.

Beim zweiten Treffen haben wir uns mit dem Thema Fluoreszenz und Phosphoreszenz beschäftigt. Unter anderem konnten wir die Chemolumineszenz von Luminoll als blaues Leuchten beobachten, wenn es mit Bluspuren bzw. Hämoglobin in Kontakt kommt. Das eigentlich grüne Chlorophyll hingegen leuchtet unter UV-Beleuchtung intensiv rot.

Mikroskopie war das Thema unseres dritten Termins. Wir begannen damit, einige einfachere Präparate wie Wasserpest und Mundschleimhautzellen anzusehen. Unter anderem beobachteten wir auch an einer roten Zwiebel, wie sich die durch Anthocyane pink gefärbten Vakuolen der Zellen zusammenziehen, wenn man die Zwiebelhaut in eine Salzlösung gibt.

Bei unserem vierten Treffen haben wir eine Exkursion nach Erlangen an die Universität gemacht, wo wir die Möglichkeit hatten, mit Fluoreszenzmikroskopen zu arbeiten. Nach einem kurzen Vortrag zu Themen wie Biolumineszenz, Gentechnik und Drosophila (Fruchtfliegen) ging es dann auch schon ins Labor. Wir mikroskopierten gentechnisch veränderte Drosophila-Larven, die in ihrem Herzmuskel das fluoreszierende GFP-Protein besitzen, das normalerweise nur in biolumineszenten Quallen vorkommt.

So konnten wir im Mikroskop das schlagende Röhrenherz der Insektenlarven sehen, da durch die Anregungsstrahlung nur das grün leuchtende GFP zu sehen war.weshalb ihr Herzmuskel leuchtet. Mit dem Fluriszenzmikroskop kann man ein Präperat noch näher heranholen und noch genauer untersuchen.

 

DG-Schüler im Genetik-Labor der Universität Bayreuth… Kein Aprilscherz!!!

11. April 2019

Am 1. April 2019 fuhren die Schüler des Profilkurses Biologisch-chemisches Praktikum und einige Schüler der Biologiekurse der 11. Jahrgangsstufe in Begleitung von Herrn Mörsberger und Herrn Christian an die Universität in Bayreuth. Der Tag im Labor der Universität stand unter dem Thema “Der genetische Fingerabdruck eines Menschen” und wir durften in Kleingruppen unter Anleitung von Herrn Dr. Scharfenberg in mehreren Experimenten DNA, das Erbgut eines Menschen, extrahieren, vervielfältigen und mittels Gelelektrophorese analysieren, um das Thema Genetik aus dem Unterricht noch weiter zu vertiefen und zu veranschaulichen.

Nachdem wir im Labor ankamen, bekamen wir zuerst eine Einführung in das wissenschaftliche Arbeiten und vor allem in den Umgang mit Mikropipetten, Zentrifugen, Vortex-Mischern, etc. Dann ging es ans “richtige” Experimentieren…
Aus organisatorischen Gründen begannen wir nicht wie üblich mit der DNA-Extraktion, sondern mit der PCR (Polymeraseketten(-chain)-reaktion), also der Vervielfältigung der DNA. Mit Hilfe von sogenannten Primern und dem Enzym Polymerase, die wir zur DNA-Probe hinzugaben, haben wir den Startschuss zur Vervielfältigung der DNA gesetzt. Um Fehler und Verunreinigungen auszuschließen fertigten wir zusätzlich Negativ-Proben und Primer-Kontrollen an. Danach hieß es warten, da nun der Thermocycler seine Arbeit machen musste und die Gemische in 32 Zyklen zur Replikation der DNA automatisch für unterschiedliche Zeiträume auf verschiedene Temperaturen erhitzen musste.

Unterdessen bereiteten wir die Laufkammern für die Agarose-Gelelektrophorese vor. Wie schon in der Einführung probeweise durchgeführt, kochten wir das gelöste Agarosepulver auf und füllten es anschließend in die Vorrichtungen und brachten “Kämme” an, damit nach dem Trocknen die Gelkammern mit den Proben befüllt werden konnten und die Gelelektrophorese durchgeführt werden kann. Das Gel musste trocknen, die DNA vervielfältigt werden; bei beidem konnten wir nicht mehr als Däumchen drehen, also gingen wir wie richtige Studenten in die Mensa und stärkten uns durch ein Mittagessen für den Nachmittag.


Nun kam es zum schwierigsten Teil des Tages… Die Extraktion unserer eigenen DNA. Jeweils einer aus jeder Gruppe erklärte sich dazu bereit, seine DNA aus seinen Mundschleimhautzellen der Wissenschaft zur Verfügung zu stellen. Um nun die DNA zu isolieren mussten in mehreren Schritten die Zellmembran, das Cytoplasma und der Zellkern fast vollständig zerstört, Proteine durch Proteasen abgebaut, dieses Enzym aus der DNA-Säule ausgewaschen und die DNA durch eine Trennlösung vollständig in ein Gefäß gespült werden.

Nun war fast alles vorbereitet für den großen Moment, in dem die Gelelektrophorese starten konnte. Als also die Laufkammern mit der
Pufferlösung befüllt waren und wir mit mehr oder weniger großem Erfolg die Gelkammern mit den Proben aus PCR und DNA-Extraktion befüllt hatten, konnten wir endlich sehen, ob wir den Tag über gut gearbeitet hatten, denn unter UV-Licht konnte man nun durch einen Farbstoff die DNA sichtbar machen. Und siehe da, die Ergebnisse waren beeindruckend und die Arbeit hatte sich gelohnt. Durch die Erklärungen von Herr Dr. Scharfenberg konnten wir auch die Hintergründe dieses Verfahrens verstehen.

Eine Frage bleibt nun trotzdem noch ungeklärt…Wofür braucht man jetzt diesen genetischen Fingerabdruck überhaupt?

Nun, ich denke unter Fingerabdruck kann sich jeder erst einmal etwas vorstellen. Das Muster, das bei einem jeden Menschen einzigartig ist auf den Fingern eben. Viel einzigartiger ist jedoch das Muster der DNA eines jeden Menschen. Durch dieses kann man einen Menschen mit ziemlich hoher Sicherheit identifizieren, weshalb dieses Verfahren beispielsweise in der Kriminalistik zur Überführung von Straftätern verwendet wird, aber auch bei Vaterschaftstest, da jeder Mensch von seinen Eltern einen Teil von deren DNA erbt.

Zum Abschluss kann man sagen, dass es sich bei dem Tag an der Uni Bayreuth um eine erfolgreiche Exkursion gehandelt hat und ich denke, ich kann mich im Namen aller beteiligten Schüler für die Organisation und auch die Möglichkeit eines solchen Erlebnisses bedanken. Elina Wagner, Q11

 

 

Begabtenkurs – Sind wir allein im Weltall?

21. Oktober 2018

Exkursion zur Landessternwarte Heidelberg

Mitte Juli 2018 machten sich 14 Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Kurses „Sind wir allein im Weltall? – Exobiologie und Exoplaneten“ zusammen mit ihren Kursleitern Catja Bier und Klaus Dorbath auf den Weg nach Heidelberg. Ziel war zunächst die Landessternwarte auf dem Königstuhl bei Heidelberg. Nach vielen Theoriestunden im Laufe der Kurstreffen sollte hier ein Beobachtungsabend den Kursverlauf krönen. Leider hatten wir das Pech, dass nach vielen sternenklaren Nächten in Folge gerade bei unserem Besuch kein einziger Stern am Nachthimmel zu sehen war, So blieb uns nur die Besichtigung der 1898 gegründeten Anlage, die seit 2005 Teil der Universität Heidelberg ist und in deren sechs Beobachtungskuppeln auch heute noch aktuelle astronomische Forschung betrieben wird. Am nächsten Tag hatten wir einen Workshop zum Thema „Exoplaneten“ im Haus der Astronomie gebucht. Das HdA wurde von der Klaus Tschira Stiftung auf dem Gelände des Max-Planck-Instituts für Astronomie errichtet und 2011 als Geschenk an die Max-Planck-Gesellschaft übergeben. Das beeindruckende Gebäude, dessen Form an eine Spiralgalaxie erinnert, beherbergt Seminar-, Praktikums- und Unterrichtsräume, Büros und das zentrale Klaus Tschira Auditorium mit einem digitalen Ganzkuppelprojektionssystem. Nach dreistündigem Workshop konnten wir hier eine faszinierende Planetariumsvorführung genießen. Wenn auch der Workshop für uns kaum neue Erkenntnisse brachte (ein Beleg für unsere gute Arbeit während der Kurstreffen), so war die gesamte Exkursion doch für alle Teilnehmer sehr gewinnbringend.

Ideenforum Bionicum Nürnberg

28. März 2016

Mit interessierten Schülern des Begabtenkurses Bionik und des W-Seminars „Insekten“ besuchten wir am 18.02.2016 das Ideenforum Bionik im Bionicum des Nürnberger Tiergarten. Dort wurden wir wir von einem humanoiden (= der menschlichen Gestalt nachempfundenen) Roboter begrüßt und hörten insgesamt vier Vorträge von verschiedenen Ingenieuren, Doktoren und Professoren zum Thema Bionik. Zuerst aber eine Begriffsklärung: Das Wort Bionik setzt sich aus den beiden Wörtern „Biologie“ und „Technik“ zusammen. Wie diese beiden Wörter bereits vermuten lassen, beschäftigt sich die Bionik also damit, Phänomene aus der Natur als Vorbild für die Technik zu nutzen, wobei diese Vorgänge nicht exakt kopiert werden.

Im ersten und interessantesten Vortrag stellte Frau Dr. Nina Gaissert von der Firma Festo einige Tiere vor, deren geniale Funktionen in mehrjähriger Arbeit – so weit möglich – technisch nachgeahmt wurden. Beispielsweise wurde gezeigt, wie der SmartBird, ein der Silbermöwe nachgeahmtes Flugmodell, mit zwei Metern Spannweite durch aktives Auf- und Abschlagen der Flügel starten, fliegen und landen kann. Dies ist durch den komplexen Gelenktorsionsantrieb als auch durch den Ultraleichtbau sowie einer komplexen Regelung in Echtzeit möglich. Auch der Flug einer Libelle wurde nachgeahmt. Die Ingenieure mussten sich einiges einfallen lassen, um ein solches Objekt mit enormen Flugfähigkeiten steuern zu können. Zum Beispiel müssen sich die Flügel verdrehen können, die besondere Beschaffenheit der Flügel rekonstruiert und eine Art Autopilot programmiert werden, da die Flügel einer Libelle bis zu 20 mal pro Sekunde schlagen und solche schnellen Bewegungen von einem Menschen über eine Fernbedienung nicht mehr einzeln kontrollierbar wären. Der Energieverbrauch des BionicOpter ist so hoch, dass eine Handyladung nur für drei Minuten Flug ausreicht.

Auch ein soziales Insekt – die Ameise – diente als Vorbild für das sogenannte „Maschinen-Learning“. Wenn eine Ameise versucht, ein Objekt zu bewegen, aber zu schwach dafür ist, werden solange Ameisen herbeigeholt, bis sie das Objekt bewegen können. Auch die BionicAnt lernt, wenn ihre Kraft nicht ausreicht, andere Mini-Roboter herbeizurufen. Durch selbstständiges Lernen sollen in Zukunft auch andere Maschinen kooperieren und Aktionen aufeinander abstimmen können.Dr.-Ing. Ivo Boblan von der Technischen Universität Berlin beschäftigte sich im zweiten Vortrag mit dem Thema, wie man Roboter benutzerfreundlicher machen kann und eine optimale Mensch-Roboter-Interaktion schaffen kann. Dabei stellt sich besonders die Frage, welche Entscheidungen von Robotern und welche weiterhin von Menschen getroffen werden sollen.Außerdem wurde die Internet basierte Plattform „Open Bionic Innovation“ vorgestellt, auf der Biologen und Ingenieure ihre Ideen austauschen können und evolutionäre Entwicklung als Vorbild für die Technik diskutiert. Abgerundet wurden die Vorträge durch anschließende Fragen des sehr gemischten Publikums – sowohl Experten als auch interessierte Laien (wie wir vom Dientzenhofer Gymnasium) waren geladen – als auch durch die Poster-Präsentationen von Studenten der FAU und anderer MINT-Lehrstühle.

 

In der Mittagspause besuchten wir die Bionik-Ausstellung, in der man zum Beispiel die Stabilität von Bambus mit Stahl und Plastik vergleichen konnte, das Gewicht und die Stabilität von einer Muschel mit Stahlbeton und viele weitere Dinge. Wie zu erwarten, war das Beispiel aus der Natur immer wesentlich robuster beziehungsweise gewichtssparender.

Sebastian Both und Catja Bier