Das Wolbachia-Projekt bringt wissenschaftliche Forschung in das LaboraTri!
Wolbachien sind Bakterien, die in 40 % der Arthropodenarten vorkommen. Dort manipulieren sie die Fortpflanzung des Wirts und beeinflussen dadurch die Artbildung. In diesem Modul werden die Lernenden heimische Arthropoden entdecken und auf ein Vorkommen der Wolbachien analysieren. Hierzu sollen zu Beginn bestimmte Abschnitte der Arthropoden- bzw. der Wolbachien-DNA mittels PCR vervielfältigt werden. Die PCR-Produkte werden über Nacht durch professionelle Labore sequenziert. Mit Hilfe von modernen Datenbanken können die Lernenden anhand der DNA-Sequenzen anschließend die entsprechenden Arthropodenart molekulargenetisch bestimmen. Die Nachwuchsforscher*innen können zudem beurteilen, ob die identifizierte Arthropodenart durch Wolbachien infiziert war.
Das Wolbachia-Projekt soll für Biodiversität und Evolution begeistern. Gleichzeitig werden die wichtigsten molekularbiologischen Methoden, DNA-Isolation, PCR und Gel-Elektrophorese vorgestellt. Die Integration der Bioinformatik gewährt zudem authentische Einblicke in aktuelle Forschungsmethoden. Das Wolbachia-Projekt richtet sich in erster Linie an fortgeschrittene Schüler:innen.
Inhaltbezogene Kompetenzen
3.4.4 Molekularbiologische Verfahren und Gentechnik: Die Lernenden können...
3.4.6 Evolution und Ökologie: Die Lernenden können...
Prozessbezogene Kompetenzen:
Erkenntnisgewinnung: Die Lernenden können...
Das Wolbachia-Projekt besteht aus einer Serie von fünf Laborschritten:
Was sind Wolbachien?
Wolbachien sind eine Bakteriengattung. Genau genommen handelt es sich um gramnegative Bakterien. Sie leben obligat in Vakuolen von Wirtszellen. Außerhalb dieser Zellen sind sie nicht lebensfähig und können auch nicht ohne diese kultiviert werden. Bislang konnten die Bakterien in Arthropoden nachgewiesen werden. Für das Modul liegt der Fokus auf Insekten. Wolbachien kommen aber auch in Spinnen oder Krebsen vor.
Bei bestimmten Insektenarten leben die Wolbachien in den Keimdrüsen der Weibchen. Dort beeinflussen sie auf unterschiedlichste Weise die Fortpflanzung der adulten Insekten. Sie begünstigen beispielsweise weiblichen Nachwuchs, indem männliche Tiere im Embryonalstadium abgetötet werden. Dadurch beeinflussen die Wolbachien auch die innerartliche Evolution ihrer Wirte.
Was ist der DNA-Barcode?
Im Supermarkt werden Barcodes dazu verwendet, um an der Kasse das gewünschte Lebensmittel zu erkennen. Der Barcode-of-Life dient hingegen dazu Lebewesen eindeutig zu identifizieren. Der DNA-Barcode ist die individuelle Abfolge der vier Buchstaben A, G, T, C (also der vier Nukleinsäuren Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin) der DNA. Allerdings wird hierzu nicht das gesamte Erbgut untersucht, sondern nur ein kurzer Abschnitt eines mitochondrialen Gens.
Welcher DNA-Abschnitt wird für den DNA-Barcode untersucht?
Zur Identifikation von Tierarten wird das CO-I-Gen untersucht. Es handelt sich dabei um ein mitochondriales Gen, das in allen Tierarten vorkommt. Allerdings weicht die Abfolge der Nukleinbasen in jeder Tierart etwas voneinander ab.
Warum untersucht man mitochondriale DNA?
Da jede Zelle eine Vielzahl von Mitochondrien und damit vergleichsweise mehr mtDNA als genomische DNA enthält, besteht eine höhere Chance diese zu isoliert. Sie wird des Weiteren nur maternal vererbt, weshalb die Allele schneller fixiert werden. Eine weitere wichtige Eigenschaft der mtDNA ist, dass sie eine relativ hohe und konstante Mutationsrate besitzt sowie, dass Rekombinationen ausgeschlossen werden können. Dadurch kann der Stammbaum deutlich leichter rekonstruiert werden als anhand der genomischen DNA.
Welches Vorwissen und welche Vorkenntnisse benötigen die Schüler:innen?
Zur Durchführung eines Versuchsansatzes werden folgende Materialien benötigt:
Versuchsabschnitt | Benötigte Geräte und Chemikalien | |
Labor 1: Insektenbestimmung
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Labor 2: DNA-Isolation |
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Labor 3: PCR
| Materialien je Versuchsteilnehmer:
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Labor 4: Gelelektrophorese
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Labor 5
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Sonstiges:
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