Molekulargenetische Tierartenbestimmung - Was ist in der Wurst?

• Die Schüler:innen werden für die Herkunft und Produktion von Nahrungsmitteln sensibilisiert.
• Die Schüler:innen können das Funktionsprinzip der wichtigsten molekularbiologischen Methoden beschreiben.  
• Die Schüler:innen werden für Molekularbiologie begeistert.  

Inhaltsbezogene Kompetenzen

3.3.2 Genetik & 3.4.4 Molekularbiologische Verfahren und Gentechnik: Die Lernende können...

• … die Struktur der DNA anhand eines einfachen Modells beschreiben und daran Eigenschaften der DNA (Informationsspeicherung, Verdopplungsfähigkeit, Veränderbarkeit) erläutern.
• … die Proteinbiosynthese beschreiben und den genetischen Code anwenden.
• … Werkzeuge und Verfahren der Molekularbiologie erläutern (DNA-Isolation, PCR, Gelelektrophorese).

Prozessbezogene Kompetenzen:
2.1 Erkenntnisgewinnung: Die Lernenden können

• … biologische Arbeitstechniken anwenden.
• … Beobachtungen und Versuche durchführen und auswerten.

Die molekulargenetische Tierartendifferenzierung erfolgt in drei Laborabschnitten:

1. DNA-Isolation: Die Lernenden erhalten zu Beginn kleine Fleischproben. Aus diesen sollen sie die DNA extrahieren.
2. PCR: Zur extrahierten DNA wird ein PrimerMix (aus Primern für Schwein-, Pute, Rind- und Pferde-DNA) sowie der Pol TaqS Red-Mix (Master-Mix) hinzugegeben. Je nach Inhalt der Probe können unterschiedliche Primer komplementär an die enthaltene DNA binden und der DNA-Abschnitt zwischen diesen vervielfältigt werden.
3. Gel-Elektrophorese: Die amplifizierte DNA wird gemäß ihrer Basenpaaranzahl im elektrischen Feld aufgetrennt. Ein Vergleich mit dem Laufverhalten der Banden der Kontrollgruppen zeigt, welche Tierarten in der Fleischprobe enthalten sind.

Welche Stolpersteine gibt es bei der Versuchsdurchführung?

DNA-Extraktion:
Die DNA-Extraktion mittels Instagene-Matrix-Methode beherbergt keine nennenswerten Durchführungsschwierigkeiten. Es ist jedoch darauf zu achten, dass das verwendete IG-Tube auf Eis gelagert werden muss.

PCR-Durchführung:
Auch die Chemikalien der PCR, wie beispielsweise den PCR-Mastermix, den Primer Mix, die DNA-Probe und die DNA-Leiter sollten auf Eis gelagert werden. Um eine gute Verteilung der Reagenzien in den Eppendorfgefäßen zu gewährleisten, wird empfohlen diese unmittelbar vor ihrer Nutzung durch einen Vortexer zu durchmischen. Steht kein solches Gerät zur Verfügung ist das Schnippen des Gefäßes über die Aussparungen des Laborracks ausreichend. Die Handhabung der Pipette und das Pipettieren besonders kleiner Volumina bereitet manchen Schüler:innen zu Beginn Schwierigkeiten. Damit diese das Versuchsergebnis nicht beeinflussen empfiehlt es sich vorab eine Pipettier-Übung durchzuführen. Über die App minipcr kann der Temperaturverlauf des Thermocyclers programmiert werden. Außerdem bietet die App eine animierte Echtzeitdarstellung der molekularen Abläufe während der PCR, welche für das Verständnis der molekularen Prozesse der Polymerase-Kettenreaktion hilfreich sein kann. Obwohl die App intuitiv verständlich ist, empfiehlt es sich, diese in der Vorbereitung zu testen und den zugehörigen Thermocycler per Bluetooth zu verbinden.

Agarose-Gele gießen (vor der Durchführung vorzubereiten):

Bevor die PCR-Produkte in der Gelelektrophorsekammer aufgetrennt werden, müssen die Agarose-Gele gegossen werden. Dabei gilt es zu beachten, dass der Heizblock sowie der verwendete Erlenmeyerkolben stark erhitzen und deshalb eine Gefahrenquelle für Verbrennungen darstellen. Außerdem sollte die Agarose-Mischung stets im Blick behalten werden, da sie leicht überkochen kann. Der verwendete DNA-Farbstoff pepGreen wird als ungefährlich eingestuft. Dennoch muss darauf geachtet werden, dass alle Schüler:innen stets Handschuhe tragen, wenn in deren Nähe mit Chemikalien gearbeitet wird, auch wenn diese nach heutigem Kenntnisstand als unbedenklich eingestuft werden.

Durchführung der Gelelektrophorese:
Die Schüler:innen dürfen ihre Proben selbst in die dafür vorgesehenen Taschen, also die Aussparungen im Gel, pipettieren. Um möglichst gute Versuchsergebnisse zu erzielen ist es wichtig, die Pipette genau über der Tasche zu positionieren und die DNA-Probe dann langsam aus der Pipettenspitze ins Gel abzugeben. Dieser Vorgang erfordert etwas Feinmotorik sowie ein wenig Übung. Aus diesem Grund empfiehlt es sich ein Dummy-Gel, beispielsweise aus Agarose und Wasser, herzustellen (Link zur Anleitung einfügen). Anstelle von DNA-Proben können die Schülerinnen mit Lebensmittelfarben üben die Taschen des Gels zu befüllen. Nachdem die Schüler:innen das Agarose-Gel erfolgreich beladen haben wird die Gel-Elektrophorese durch das Anlegen der Spannung gestartet. Um bestmögliche Versuchsergebnisse zu erhalten, wird empfohlen die Laufstrecke der DNA-Fragmente gelegentlich durch Einschalten des Blaulichts zu überprüfen, um sicher zu stellen, dass die Proben nicht aus dem Gel wandern. Dennoch sollte das Blaulicht während der Durchführung der Gelelektrophorese nicht dauerhaft eingeschaltet bleiben, da sonst die Gefahr besteht, dass die Fluoreszenz langsam an Intensität verliert.

Welcher Arbeitsaufwand kann für die Vor- und Nachbereitung der Versuche veranschlagt werden?
Die Vor- und Nachbereitungen des Versuchs sind aufgrund der Anzahl der benötigten Geräte und Chemikalien eher zeitintensiv, jedoch nicht anspruchsvoll. Die verhältnismäßig aufwendige Vorbereitung der Arbeitsplätze sollte in das Zeitmanagement mit einberechnet werden. Außerdem müssen die Agarose-Gele vorbereitet werden, was mit etwas Übung jedoch nicht viel Zeit in Anspruch nimmt. Vorteilhaft ist, dass diese, wenn sie durch eine Gefriertüte luftdicht verpackt sind, bis zu 3 Tagen im Kühlschrank gelagert werden können. Das Experiment besteht aus mehreren Teilversuchen und daher wird eine hohe Anzahl an Materialien und Geräten benötigt. Die Unterrichtsstunden können ideal als praktische Vertiefung oder als Abschluss einer Unterrichtseinheit zur Genetik durchgeführt werden. Der Arbeitsaufwand wird dadurch legitimiert, dass die Schüler*innen die wichtigsten praktischen Methoden der molekularen Biologie erlernen. Zur Nachbereitung müssen die Gele entsorgt und die Geräte angemessen gereinigt werden (zur Reinigung der Elektrophoresekammer unbedingt das BlueGel-Spray und kein Desinfektionsmittel verwenden).

• Sicherheitsdatenblätter
• Versuchsprotokoll (Lehrer:innen)
• Versuchsprotokoll (Schüler:innen)
• Arbeitsblattvorschlag