Extraktion der menschlichen DNA aus Mundspeichel - Staatliches ...

STAATLICHES SEMINAR FÜR DIDAKTIK UND LEHRERBILDUNG REUTLINGENAusarbeitung zum NWA-Tag 2011:DER MENSCHThema:Extraktion der menschlichen DNA aus MundspeichelAbb. 1: Reagenzglas mit extrahierter DNAAUSGEARBEITET VON:Albrecht NadineHorch LisaRieger Sina

Inhaltsverzeichnis1. SACHANALYSE ................................................................................................................ 12. DIDAKTISCHE ANALYSE.................................................................................................... 22.1 Bezug zum Bildungsplan......................................................................................... 22.2 Bedeutung für die SuS ............................................................................................ 22.3 Exemplarizität.......................................................................................................... 32.4 Zugänglichkeit......................................................................................................... 32.5 Didaktische Reduktion............................................................................................. 33. VERSUCHSBESCHREIBUNG............................................................................................... 44. MODELLBESCHREIBUNG................................................................................................... 45. QUELLENVERZEICHNIS ..................................................................................................... 65.1 Literatur................................................................................................................... 65.2 Abbildungen ............................................................................................................ 66. ANHANG.......................................................................................................................... 76.1 Arbeitsblatt .............................................................................................................. 76.2 Modellanleitung ....................................................................................................... 85.3 Kopiervorlagen Basen-Bausteine ............................................................................ 9

NWA-Tag 2011 – Extraktion der menschlichen DNA aus MundspeichelDer Fächerverbund „Naturwissenschaftliches Arbeiten“ steht für das Erlangen vonErkenntnissen und Fähigkeiten, die zum Teil nur durch das eigene Experimentierenerworben werden können. Die Schülerinnen und Schüler 1 sollen dadurch die Natur erfahrenund begreifen. Die direkte Begegnung mit der Natur hat vor allem im heutigenMedienzeitalter einen besonderen Stellenwert erlangt, der vor allem in der Schule nochweiter hervorgehoben wird. Die SuS sollen am eigenen Körper erleben, wie die Natur inihnen wirkt und welcher Bestandteil sie in der Natur darstellen.Mit dem Thema „Mensch“ wurde ein biologischer, chemischer und physikalischer Bereichgewählt, der eine hohe Anzahl an Möglichkeiten bietet, die Natur am eigenen Körpererfahrbar zu machen. Eine Möglichkeit davon soll in diesem Beitrag zum NWA Tag 2011verdeutlicht werden: Die Extraktion der menschlichen DNA aus dem Mundspeichel.Dieser Beitrag ist im Rahmen des NWA-Tags 2011 am Seminar für Didaktik undLehrerbildung in Reutlingen entstanden. Er soll keine komplette Unterrichtseinheit darstellen,sondern nur Auszüge, die im Rahmen der Unterrichtseinheit zur Zelle bearbeitet werdenkönnen.1. SachanalyseDie menschliche Erbinformation ist auf der DNA (engl.: desoxyribonucleic acid) gespeichert.Sie ist unter anderem Bestandteil der Chromosomen, die sich im Zellkern befinden. Die DNA(= Desoxyribonucleinsäure) hat eine Doppelhelix -Struktur (BAYRHUBER/KULL 1998, S.324).Diese Doppelhelix besteht aus zwei komplementären Einzelsträngen, die „[…] schraubig umeine gedachte gemeinsame Achse gewunden […]“ (HAFNER/HOFF 1995, S.63) sind. Somitähnelt die Struktur einer Wendeltreppe. Die DNA ist „inregelmäßigen Abständen um Proteinpartikel […] herumgewunden“ (BAYRHUBER/KULL 1998, S.324). JedeChromatide eines Chromosoms enthält eine DNA-Doppelhelix.Abb. 2: Bausteine der DNADie DNA besteht aus einzelnen Nucleotiden. JedesNucleotid setzt sich aus drei verschiedenen Bausteinenzusammen: einem Phosphorsäurerest, einem Zucker(die Desoxyribose) und einer Base. Es gibt in der DNA vierBasen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T)(vgl. Abb.1). Da in der gesamten DNA sowohl derZuckerbaustein als auch der Phosphorsäurerest gleichsind, muss die genetische Information an die vier Basengebunden sein (BAYRHUBER/KULL 1998, S.323).1 Um eine bessere Lesbarkeit zu gewährleisten, wird in dieser Ausarbeitung die Bezeichnung „Schülerinnen undSchüler“ durch die Abkürzung SuS ersetzt.1

NWA-Tag 2011 – Extraktion der menschlichen DNA aus MundspeichelAufgrund des chemischen Aufbaus der Basen, stehen sich immer Guanin und Cytosin, sowieAdenin und Thymin gegenüber und kommen in der DNAzu jeweils gleichen Anteilen vor (vgl. Abb.2). Zwischenihnen bilden sich Wasserstoffbrücken aus (Regel derspezifischen Basenpaarung).Obwohl es nur vier Basen gibt, gibt es unzähligeMöglichkeiten der Abfolge dieser Basen. In dieserBasenabfolge ist die genetische Information gespeichert(BAYRHUBER/KULL 1998, S.326).„Genetisch festgelegte Merkmale […]“, wie z.B. dieAugenfarbe, „[…] können nur durchStoffwechselvorgänge ausgeprägt werden“(BAYRHUBER/KULL 1998, S.329). Damit dieseAbb. 3: DNA-DoppelstrangStoffwechselvorgänge ablaufen können, werden Enzymebenötigt. Enzyme sind Proteine und bestehen ebenfalls aus Aminosäuren. Jeweils dreiBasen verschlüsseln eine der 20 Aminosäuren, die in den Proteinen der Lebewesenvorkommen. Bei vier Basen ergeben sich 4 3 = 64 Möglichkeiten um diese 20 Aminosäurenzu codieren. Somit ist jedem Basen-Triplett eine Aminosäure zugeordnet.2. Didaktische Analyse2.1 Bezug zum BildungsplanBei der Wahl der Inhalte wurden die Kompetenzen des Bildungsplans 2004 der Realschulezugrunde gelegt: Dass die naturwissenschaftliche Bildung ein wichtiger Teil derAllgemeinbildung darstellt, ist in den Leitgedanken des Faches NaturwissenschaftlichesArbeiten (NWA) fest verankert. Es soll im Verlauf der Schulzeit eine naturwissenschaftlicheGrundbildung angestrebt werden, die in einer lebenslangen Auseinandersetzung mit derNaturwissenschaft münden soll. Hierfür leistet die Realschule einen wertvollen Beitrag: „Inder Schule soll die Voraussetzung geschaffen werden, diese Auseinandersetzungen auchaktiv führen zu können.“ (BILDUNGSPLAN RS 2004, S.96ff).Durch die erworbenen Kenntnisse von Bau und Funktion wichtiger Bestandteile des Körperskönnen die SuS den eigenen Körper als ein komplexes System begreifen. Die Schülerinnenund Schüler können außerdem die Prinzipien des Lebendigen verstehen und sie wissen,dass „Fortpflanzung und Vererbung Voraussetzung für die Kontinuität des Lebens sind (...)“(ebd.). Die SuS können desweiteren „Chromosomen als Träger der Erbinformationidentifizieren“ (ebd.) und wissen um den Aufbau der menschlichen DNA.2.2 Bedeutung für die SuSGegenwartsbedeutung:Durch die Extraktion der DNA aus der eigenen Mundschleimhaut können sich die SuSKörperwelten erschließen, wozu sie durch das bloße Aneignen von Informationen niemals inder Lage wären. Man hält am Ende des Versuchs seine eigene DNA in den Händen und2

NWA-Tag 2011 – Extraktion der menschlichen DNA aus Mundspeichelkann sie betrachten und kann sich zumindest in Teilen vorstellen, wie die Mundschleimhautzellulär aufgebaut ist. Das kann den SuS das nötige Interesse und eine gewisse Neugierwecken, sich weiter mit dem Aufbau des eigenen Körpers und mit der Biologie imAllgemeinen zu beschäftigen. Die SuS können somit in Staunen versetzt werden und ihreneigenen Körper noch mehr wertschätzen, als sie es bisher vielleicht bereits tun.Erwartete Zukunftsbedeutung:Durch dieses Staunen über den eigenen Körper und die Biologie im Allgemeinen kann manbei den SuS, wie bereits erwähnt, eine Neugier wecken, sich weiter mit dieser Thematikauseinanderzusetzen. Die SuS könnten dann motiviert sein, die DNA beispielsweise ausObst zu extrahieren, um sich weitere Dimensionen erschließen zu können. Die Motivation fürden Fächerverbund NWA kann damit gesteigert werden und man kann die SuS mitVersuchen dieser Art dazu bewegen, „echte“ Fragen an die Natur zu stellen, die in ihnen auswirklichem Interesse entstanden sind und diese mit ihnen anschließend zu erarbeiten.2.3 ExemplarizitätIn diesem Ausschnitt einer Unterrichtseinheit wird nur die Extraktion der eigenen DNA ausdem Mundspeichel erläutert, weil alles andere den Rahmen sprengen würde. Es gibt nochweitere Möglichkeiten, mit der DNA zu arbeiten, wie beispielsweise die Extraktion der DNAaus einer Banane. Doch eine Arbeit mit der eigenen DNA aus dem eigenen Körper ist für dieSuS um Längen interessanter, als die Extraktion der DNA aus einem Stück Obst. Somit istbei diesem Versuch bedeutend, dass man exemplarisch mit einem Extraktionsverfahrenarbeitet, was die SuS wahrscheinlich am meisten motiviert: Die Extraktion der eigenen DNA.Zuzüglich wird mit einem Modell gearbeitet, um die Vorstellung der SuS von der DNA-Struktur noch weiter zu unterstützen. Das Modell steht exemplarisch für alle DNA-Strukturen, ob menschlicher, tierischer oder pflanzlicher Natur.2.4 ZugänglichkeitDie SuS erhalten durch die Extraktion der eigenen DNA einen einfachen und motiviertenZugang zur Thematik. Durch die Arbeit mit körpereigenen Stoffen kann ganz leicht derBezug zur Lebenswirklichkeit der SuS hergestellt werden. Jeder Schüler, jede Schülerinbesitzt eine DNA und jeder ist von der Thematik betroffen und kann seine eigene DNAextrahieren. Somit können sich alle SuS automatisch mit dem Unterrichtsgegenstandidentifizieren.2.5 Didaktische ReduktionIn dem vorgestellten Versuch werden nur die Struktur und der Aufbau der DNA behandelt.Die SuS sollen sich vorstellen können, wie die DNA aufgebaut ist, was durch zweierlei Artengeschehen soll: zum einen durch die Extraktion der eigenen DNA und zum anderen durchdas Arbeiten mit einem Modell. Weitere Aspekte, wie beispielsweise die Vererbung einzelnerMerkmale, die mit der DNA unmittelbar zusammenhängen, werden in diesem Fall nichtberücksichtigt. Wenn die SuS das nötige Wissen zum Aufbau der DNA erlangt haben und3

NWA-Tag 2011 – Extraktion der menschlichen DNA aus Mundspeicheldas Verständnis für die Struktur bei ihnen gegeben ist, kann man vertieft in die Thematikeinsteigen. Dieser Versuch soll somit die Basis für eine vertiefte Auseinandersetzung mitdem Unterrichtsgegenstand darstellen.3. VersuchsbeschreibungBei dem Versuch geht es um die Extraktion der eigenen DNA aus Mundspeichel. Dafürwerden folgende Materialien benötigt:• Reagenzglas• 1-2 TL Spülmittel• 1 TL Salwasser (Konzentration: ca. 1 gestrichener TL auf 100 ml Wasser)• 1-2 TL eisgekühltes Brennspiritus• ZahnstocherVersuchsanleitung:Zuerst wird das Spülmittel in das Reagenzglas gegeben. Anschließend nimmt der Probandeinen Teelöffel Salzwasser und bewegt dies ca. 30 Sekunden lang im Mund. Dabei sollkräftig mit der Zunge am Gaumen gerieben werden. Nun wird die Flüssigkeit aus Salzwasserund Mundspeichel in das Reagenzglas gespuckt. Jetzt werden das Salzwasser-Mundspeichel-Gemisch und das Spülmittel vermischt. Dabei sollte darauf geachtet werden,dass sich kein Schaum bildet.Nun wird vorsichtig der eisgekühlte Brennspiritus darüber geschichtet. Wichtig, das Gemischund der Brennspiritus dürfen sich nicht mischen. Nun muss einige Minuten gewartet werden.Nach einiger Zeit ist in der Brennspiritusschicht ein kristallartiges Gebilde aus weißen Fädenzu erkennen, die DNA. Die DNA-Fäden können auf einen Zahnstocher aufgewickelt werden.Auf dem angehängten Arbeitsblatt sind die SuS aufgefordert zu zeichnen was sie imReagenzglas sehen. Außerdem wird den SuS die Möglichkeit geboten vor einem schwarzenHintergrund ein Foto ihrer DNA zu machen, um es dann auf das Arbeitsblatt zu kleben.4. ModellbeschreibungMaterial:• Holzplatte mit Loch (12,5 x 12,5 x 2,5)• Holzplatte mit Loch (12,5 x 4,5 x 1,0)• Gewindestange (35cm)• 4 Muttern• 3 Unterlegscheiben• 4 Reisnägel• 2 laminierte Papierstreifen (ca. 0,5 x 30)• Laminierte Basen-BausteineAbb. 4 Material4

NWA-Tag 2011 – Extraktion der menschlichen DNA aus Mundspeichel• Büroklammern• TesaBauanleitung:Zuerst muss die Gewindestange durch die beiden Löcher in den Holzplattengeführt werden. Die große Holzplatte ist die Bodenplatte und wird von unten miteiner Mutter und von oben mit einer Unterlegscheibe und Mutter fixiert.Die kleine Holzplatte wird im Abstand von ca. 28 cm zur Bodenplatte von oben undunten mit einer Mutter und Unterlegscheibe befestigt.Abb. 5Nun werden die beiden laminierten Papierstreifen im Abstandvon zwei aneinander geklebten Basen-Bausteinen, links undrechts von der Gewindestande mit Hilfe von Reisnägelnbefestigt.Abb. 6Modellanleitung:Abb. 71. Zuerst müssen die passenden Basen-Bausteine mit Tesa zusammen geklebt werden.Um mehr Stabilität zu erhalten ist es wichtig, dass die Bausteine auf der Vorder- undRückseite mit Tesa fixiert werden.2. Jetzt werden mit Hilfe der Büroklammern die zusammengeklebten Basen-Bausteinein beliebiger Reihenfolge an den laminierten Papierstreifen befestigt.(Bild 2)3. Jetzt wird die untere Mutter der kleinen Holzplatte ca. 5cm nach unten gedreht, umanschließend die Holzplatte nach unten zu schieben, bis sie auf der Mutter aufliegt.Nun wird die obere Mutter ebenfalls nach unten bis zur Holzplatte gedreht.Anschließend kann die kleine Holzplatte gedreht werden, um sie dann mit der oberenMutter zu fixieren und so die erstellte DNA als Doppelhelix darzustellen.1) 2) 3)Abb. 8 Abb. 9 Abb. 105

NWA-Tag 2011 – Extraktion der menschlichen DNA aus Mundspeichel5. Quellenverzeichnis5.1 LiteraturBAYRHUBER, H./KULL, U. (1998): Linder Biologie. Lehrbuch für die Oberstufe. Hannover:Schroedel.FREUDNER-HUNEKE, I./MATHIAS, V. (2005): Erlebnis Naturwissenschaft 3. Biologie.Braunschweig: Bildungshaus Schulbuchverlage.HAFNER, L./HOFF, P. (1995): Genetik. Materialien für den Sekundarbereich II. Biologie.Hannover: Schroedel.KRONBERG, I. (2007): Küchenrezept zur Isolierung der eigenen DNA. In: Unterricht Biologie.Heft 326, S.41.MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG [HRSG.] (2004):Bildungsplan für die Realschule. Villingen-Schwenningen: Neckar-Verlag.5.2 AbbildungenAbb. 1Abb. 2Abb. 3Abb. 4Abb. 5Abb. 6Abb. 7Abb. 8Abb. 9Abb. 10Abb. 11Abb. 12Abb. 13Abb. 14Abb. 15Reagenzglas mit extrahierter DNA. Eigene Fotographie.Bausteine der DNA. Eigene Zeichnung.DNA-Doppelstrang. Eigene Zeichnung.Material. Eigene Fotographie.Grundgerüst des Ständers. Eigene Fotographie.Befestigung der laminierten Papierstreifen. Eigene Fotographie.Fertiger Ständer. Eigene Fotographie.Schülermaterial (ohne Büroklammern). Eigene Fotographie.DNA-Modell gerade. Eigene Fotographie.DNA-Modell gedreht. Eigene Fotographie.Reagenzglas mit extrahierter DNA. Eigene Fotographie.Fertiger Ständer. Eigene Fotographie.Schülermaterial (ohne Büroklammern). Eigene Fotographie.DNA-Modell gerade. Eigene Fotographie.DNA-Modell gedreht. Eigene Fotographie.6

NWA-Tag 2011 – Extraktion der menschlichen DNA aus Mundspeichel6. Anhang6.1 Arbeitsblatt„Küchenrezept“ zur Isolierung deiner eigenen DNAZutaten:• Reagenzglas• 1-2 TL Spülmittel• 1 TL Salzwasser(Konzentration: ca. 1 gestrichener TL auf 100 ml Wasser)• 1-2 TL eisgekühlter Brennspiritus(rechtzeitig ins Eisfach stellen)• ZahnstocherFoto einklebenZubereitung:Zeichne, was du im Reagenzglas sehenkannst:1. Gib das Spülmittel in dasReagenzglas.2. Nimm etwas Salzwasserin den Mund und bewegees ca. 30 Sekunden.Reibe dabei kräftig mitder Zunge am Gaumen.Spucke dann in dasReagenzglas.Abb. 113. Vermische die Spuckeund das Spülmittel(Schaumbildungvermeiden!).4. Schichte den eisgekühltenSpiritus darüber (nichtmischen!).Warte einige Minuten:die weißen DNA-Fäden kannstdu mit einem Zahnstocheraufwickeln.7

NWA-Tag 2011 – Extraktion der menschlichen DNA aus Mundspeichel6.2 ModellanleitungDNA-ModellMaterial:• Ständer• 20 Basen-Bausteine (5 pro Farbe)• Tesa• BüroklammernAnleitung:1. Klebe die passenden Basen-Bausteine mit Tesa zusammen. Um mehr Stabilität zuerhalten ist es wichtig, dass du die Bausteine auf der Vorder- und Rückseite mit Tesafixierst.2. Jetzt befestigst du mit Hilfe der Büroklammern die zusammengeklebten Basen-Bausteine in beliebiger Reihenfolge an den laminierten Papierstreifen.Lass deine eigne DNA entstehen!3. Nun drehst du die untere Mutter der kleinen Holzplatte ca. 5cm nach unten. Schiebedie Holzplatte nach unten, bis sie auf der Mutter aufliegt. Nun drehst du die obereMutter ebenfalls nach unten bis zur Holzplatte. Jetzt kannst du die kleine Holzplattedrehen und anschließend mit der oberen Mutter fixieren. Deine DNA ist jetzt alsDoppelhelix dargestellt.1) 2) 3) 4)Abb. 12 Abb. 13 Abb. 14 Abb. 158

NWA-Tag 2011 – Extraktion der menschlichen DNA aus Mundspeichel5.3 Kopiervorlagen Basen-BausteineTATATATACGCGCGCGCG9