BTG1-Laborprojekt (Biotechnologisches Gymnasium)
Wie wäre es wenn man mit Stroh und Ästen Kraftstoffe herstellen könnte, mit denen man umweltverträglich Auto fahren kann? Aus solchen Pflanzenabfällen lässt sich beispielsweise Alkohol herstellen, mit dem Fahrzeuge betrieben werden können. Im Grunde ist der Prozess vergleichbar mit dem Schnapsbrennen: die pflanzlichen Abfälle werden mit Hilfe von Hefezellen vergoren und es entsteht Ethanol. Diesen „Bioalkohol“ kann man besonders effizient mit Hilfe einer sogenannten „Bioraffinerie-Anlage“ herstellen und als Kraftstoff nutzen. Die Hochschule Furtwangen (HFU) am Campus Schwenningen möchte mit dem aktuellen Forschungs- und Entwicklungsprogramm „Bioraffinerie Schwarzwald“ einen Beitrag zur Entwicklung von flexiblen und nachhaltig betriebenen lokalen Bioraffinerien leisten, die aus Rohstoffen in der Region Produkte für die Region herstellen. Die Albert-Schweitzer-Schule und die HFU führen schon seit vielen Jahren gemeinsame Schüler-Laborprojekte auf dem Gebiet der Biotechnologie durch. Die langjährige Kooperation wurde im zweiten Halbjahr des Schuljahres 2015/2016 wieder aufgegriffen. Auf Vorschlag von Frau Professor Salat von der HFU-Fakultät Medical and Life Sciences am Standort Schwenningen wurde ein Laborprojekt durchgeführt, das die Effizienz der Alkoholischen Gärung gewährleisten soll.
BTG Schüler
Zehn Schülerinnen und Schüler der Klasse BTG1, die das Fach Sondergebiete der Biowissenschaften belegt hatten, wollten aktiv dazu beitragen, die Produktion von Bioethanol sicherer zu machen. Gärungsprozesse sind anfällig für Verunreinigungen mit ungewünschten Bakterienarten, z.B. Milchsäurebakterien (Abb.1 und 2), die die Effizienz des Systems empfindlich stören können. Die Anwesenheit solcher Mikroorganismen kann zu großen wirtschaftlichen Schäden führen, da der Gärungsprozess abgebrochen werden muss. Diese Bakterien müssen also sicher von nützlichen Mikroorganismen unterschieden werden können. Die sichere Identifizierung der Bakterien lehnt sich dabei an das Prinzip des „Genetischen Fingerabdrucks“ an.
-
- Abb._1_Bakterien
-
- Abb._2_Bakterien_wachsen_auf_Agarplatten
-
- Abb._3_Ribosomale_16S_RNA_orange_-_Quelle_Wikipedia
-
- Abb._4_DNA-Banden_nach_einer_PCR
Die Aufgabe der BTG- Schülerinnen und -Schüler war es nun über mehrere Wochen regelmäßig die von der HFU vorgeschlagene molekularbiologische Methode ARDRA zum Laufen zu bringen. Ziel war es, zwei typische Stämme von Milchsäurebakterien eindeutig voneinander unterscheiden zu können. Unter Anleitung ihres Biotechnologie-Lehrers Dr. Holtorf wurden die Experimente im S1-Labor der Albert-Schweitzer-Schule durchgeführt. Nach Vorarbeiten am Computer ging es in‘s Labor. Zum Zweck der Identifizierung der 16SrRNA-Gene (Abb. 3) wurde die PCR-Methode in Kombination mit einem Restriktionsverdau eingesetzt. Die PCR (Polymerasekettenreaktion) erlaubt es aus geringsten Mengen der Erbsubstanz DNA in kurzer Zeit größere Mengen zu vervielfältigen, die dann weiter untersucht werden können (Abb. 4).
Die entstehenden DNA-Moleküle wurden mit Hilfe von Restriktionsenzymen geschnitten und das charakteristische Muster der Schnittprodukte mit Hilfe einer Gelelektrophorese –Apparatur der Größe nach ausgetrennt und sichtbar gemacht. Die Schülerinnen und Schüler führten zahlreiche Experimente mit hoher Motivation durch und am Ende hätte das Ergebnis nicht besser sein können: Die beiden untersuchten sehr eng verwandten Stämme der Milchsäurebakterien konnten mithilfe der eingesetzten Methoden zweifelsfrei voneinander unterschieden werden (Abb. 6).
Abb. 6: Vergleich der Milchsäurebakterien nach ARDRA
Ein sehr wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer störungsfreien Bioethanol-Herstellung. Die Schülerinnen und Schüler stellten die Ergebnisse des Projekts an der HFU vor und erhielten weitere interessante Information durch den Studierenden Oliver Riester. Die Kollaboration zwischen Albert-Schweitzer-Schule und der Hochschule Furtwangen war ein voller Erfolg. Die Schülerinnen und Schüler entwickelten zusätzliche Kompetenzen auf den Gebieten praktische Laborarbeit, Protokollierung und Präsentation von Forschungsergebnissen. Zusätzlich können die Schülerinnen und Schüler ihre Leistungen als Abitur-Prüfungsfach abrechnen – eine Möglichkeit, die alle zehn Schülerinnen und Schüler sehr gerne wahrgenommen haben.
Bericht: Hauke Holtorf