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Life Sciences – Schule fürs Leben

Herzlich Willkommen in der Biotechnologie der HLS Offenburg

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Bei uns können Sie im dreijährigen Biotechnologischen Gymnasium Ihre Allgemeine Hochschulreife erreichen oder in einer zweijährigen Ausbildung im Berufskolleg für Biotechnologische Assistenten eine abgeschlossene Berufsausbildung mit möglicher Zusatzqualifikation der Fachhochschulreife erhalten. Unsere Berufskolleg-Schüler verbringen ein Drittel ihrer Schulstunden in unseren Laboren und auch unsere Gymnasiasten können Wissen aus dem Theorieunterricht mit praktischen Versuchen in diesen Räumen überprüfen.

Im Folgenden möchten wir Ihnen diese beiden Schularten vorstellen. Zudem können Sie Einrichtung und Arbeit in unseren Laboren anhand von Versuchen kennenlernen. Dargestellte Versuchsergebnisse sind das Werk unserer Schüler. Weiterhin zeigen wir Ihnen einige über den Unterricht hinausgehende Aktivitäten in der Biotechnologie.

 

Foto (von links): Dr. S. Schöttler, M. Jäger, Dr. A. Rueckert, Dr. A. Dahm, Dr. B. Bonengel (hinten), Dr. M. Stegen; nicht im Bild: Dr. M. Sauer

Unsere Schularten

Informieren Sie sich zu unseren beiden Schularten in einem kleinen Video ...

 

... und mit PowerPoint-Präsentationen.

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Biotechnologisches Gymnasium (BTG)
Berufskolleg für Biotechnologische Assistenten (BKBT)

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Mikrobiologie - steriles Arbeiten mit Mikroorganismen

Die Biotechnologie nutzt Mikroorganismen, wie Bakterien, Schimmelpilze oder Hefen, zur Herstellung chemischer Verbindungen. Dazu gehören z.B. Kunststoffe, Enzyme, Nahrungsmittelzusätze oder bestimmte Medikamente. Die verwendeten Organismen stellen diese Stoffe entweder natürlicherweise her oder wurden zu diesem Zweck gentechnisch verändert. Mikroorganismen können mehrere Wochen auf einem Nährboden im Kühlschrank oder langfristig bei -80°C in einem Tiefkühlschrank gelagert werden

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Nährböden: 1. Bakterien
2. Schimmelpilz
3. verschiedene Mikroorganismen
-80°C Tiefkühlschrank

Grundlage eines erfolgreichen biotechnologischen Prozesses ist das sterile Arbeiten und die keimfreie Umgebung. Keime sind aber allgegenwärtig auf Oberflächen, auf unserer Haut, in unserem Atem. Um also sicherzustellen, dass auf dem Nährboden oder in einer Nährlösung nur der Mikroorganismus wächst, der auch das gewünschte Produkt herstellt, müssen alle Lösungen, Materialien und Geräte steril sein. Daher werden die verwendeten Flüssigkeiten zunächst im sogenannten Autoklaven bei 121 °C unter Druck sterilisiert. Leere Glasgefäße können in einem Trockenschrank bei 180 °C von Keimen befreit werden.

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Autoklav zur Sterilisierung von Lösungen
Trockenschrank zur Sterilisierung bei 180 °C

Vor Beginn der Arbeit müssen die Arbeitsfläche und die Hände desinfiziert werden. Dann wird der Mikroorganismus ausgehend von einem Nährboden in die sterile Lösung überführt. Die Mikroorganismen werden anschließend in einen Schüttelinkubator gestellt, in dem sie bei einer bestimmten Temperatur unter Schütteln wachsen können. Ist die Suspension ausreichend lange gewachsen, kann das hergestellte Produkt aus den Zellen herausgeholt und isoliert werden. Alternativ kann das Wachstum der Mikroorganismen auch in einem computergesteuerten Bioreaktor stattfinden.

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Schüttelinkubator

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Der Bioreaktor im Schullabor

In der biotechnologischen Industrie sind Bioreaktoren die Produktionsstätten, in denen sich die Mikroorganismen unter optimalen Bedingungen - ausreichende Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff, Regulierung von Temperatur und pH-Wert - vermehren und damit auch das gewünschte Produkt in großen Mengen herstellen 

Bioreaktoren in der Produktion können ein Volumen von mehreren 100 Kubikmetern haben. Diese hochtechnischen Anlagen sind computergesteuert und -überwacht. Unsere Bioreaktoren haben mit 2 L Volumen eine bescheidenere Größe, dennoch besitzen diese Geräte alle wesentlichen Funktionen eines großen Produktionsreaktors.

Zwei Tage lang arbeiten unsere Abschlussklassen im Gymnasium und im Berufskolleg mit den Reaktoren und kultivieren die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae.

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Bioreaktor, leer
Bioreaktor während der Fermentation

Einige Einstellungen werden vom Computer überwacht und gesteuert. So wird z.B. automatisch Lauge in den Bioreaktor gepumpt, wenn der pH zu stark absinkt oder die Rührerdrehzahl erhöht, wenn zu wenig Sauerstoff im Nährmedium gelöst ist. Damit kann die Hefe unter optimalen Bedingungen wachsen.

Andere Parameter werden von den Schülern selbst überwacht. Durch regelmäßige Entnahme von Proben aus dem Bioreaktor können die Zellzahl durch Zählung im Mikroskop und die Zelldichte durch Absorptionsmessung im Fotometer bestimmt werden.

 

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Zusammenhang Sauerstoffsättigung und Rührergeschwindigkeit
Mikroskop
Fotometer

Die als Energiequelle zugegebene Glucose (Traubenzucker) wird von der Hefe in Alkohol, genauer Ethanol, umgewandelt. Die mit der Zeit abnehmende Glucosekonzentration und die parallel steigende Ethanolkonzentration können durch Verwendung enzymatischer Tests ebenfalls im Fotometer quantifiziert werden.

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Hefe-Fermentation über 330 Minuten

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DNA-Analytik

DNA, das Erbgut aller Organismen, ist ein Molekül, das zum Verständnis der Biotechnologie grundlegend ist. Im Theorieunterricht werden der genaue Aufbau und die Eigenschaften der DNA besprochen, im Praxisunterricht wird die DNA z.B. aus Bakterien isoliert und untersucht. Zu Beginn dieses Versuches müssen ausreichende Mengen an Bakterien zur Verfügung stehen. Dazu lässt man Bakterien in Nährmedien in einem Schüttelinkubator über Nacht wachsen. Um das Nährmedium zu entfernen, werden die Bakterien durch Zentrifugation von der wässrigen Flüssigkeit abgetrennt. In mehreren Schritten, durch die die Bakterienzellen zunächst aufgebrochen und alle anderen Zellbestandteile zerstört werden, erhält man dann die DNA. Um den Erfolg der DNA-Isolierung zu überprüfen, wird sie in einer Elektrophorese mit einem Agarosegel (zum Prinzip der Elektrophorese siehe auch "Ein Labor in der Schule") analysiert. Da DNA farblos ist, setzt man einen Farbstoff zu, der unter UV-Licht die DNA leuchten lässt.

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Zentrifuge
Überprüfung der DNA-Isolierung mit Agarosegelelektrophorese

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Proteinanalytik

Ein biotechnologisch hergestelltes Produkt sind Restriktionsenzyme, sie können DNA-Moleküle an ganz bestimmten Stellen zerschneiden. Durch ihre Entdeckung wurde die Gentechnik ermöglicht. Dieses Teilgebiet der Biotechnologie nutzt - vereinfacht dargestellt - Restriktionsenzyme, um ein Gen aus der DNA eines Organismus herauszuschneiden, so dass es in die DNA eines anderen Organismus eingebaut werden kann. So wurden z.B. Bakterien erzeugt, die das gfp-Gen der Pazifischen Qualle Aequorea victoria tragen. Wie die Qualle auch leuchten diese Bakterien unter UV-Licht grün.

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Nutzung von Restriktionsenzymen in der Gentechnik
Grün leuchtende Bakterien

Die Bakterien, die zur Herstellung des Restriktionsenzyms genutzt werden, sind gentechnisch verändert. Im Schüttelinkubator lässt man sie in Nährmedium bis zu einer bestimmten Dichte wachsen. Nach Entnahme einer kleinen Bakterienprobe wird durch Zugabe einer Chemikalie die Herstellung des Enzyms gestartet. Am Ende der Kultivierung wird wieder eine kleine Probe entnommen. Die beiden Proben werden erhitzt, so dass die enthaltenen Bakterienzellen zerstört werden und alle Proteine frei in Lösung vorliegen. Diese Proteine können nun - vereinfacht dargestellt - in einer Elektrophorese in einem sogenannten Polyacrylamid-Gel nach Größe getrennt werden. Nach Abschluss der Elektrophorese werden die Proteine mit einem blauen Fabrstoff angefärbt, um sie sichtbar zu machen.

Die Auswertung erfolgt durch den optischen Vergleich der Proben vor und nach der Enzymherstellung. Wenn der Versuch erfolgreich war, wird an einer Stelle im Proteinmuster der zweiten Probe ein zusätzliches blaues Signal erkennbar. Durch einen Protein-Standard mit Proteinen bekannter Größe kann diesem zusätzlichen Signal eine Größe zugeordnet werden und damit sichergestellt werden, dass es sich wirklich um das gewünschte Enzym handelt.

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Polyacrylamid-Gel mit drei Schülerproben (V/N)

Nach Ende der Wachstumsphase werden die restllichen Bakterien von der Nährlösung durch Zentrifugation abgetrennt. Um die Enzyme zu isolieren, müssen die Bakterien zerstört werden, ohne die Enzyme zu schädigen. Dazu wird Ultraschall verwendet, der die Zellen zerreißt. Die Enzyme sind nun frei in der Lösung, müssen aber noch von allen anderen Zelltrümmern und der DNA abgetrennt werden. Dazu wird ein Verfahren der Chromatographie verwendet. Durch spezifische Bindung der Enzyme an kleine Kugeln können sie zunächst von Zelltrümmern und anderen Zellbestandteilen abgetrennt werden, um anschließend, nach Ablösung von den Kugeln, in sauberer Form isoliert zu werden.

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Ultraschallsonde
Prinzip der Chromatographie

Während dieser Reinigung der Enzyme dürfen die Proben nicht zu warm werden und werden daher zwischen den einzelnen Schritten immer wieder in einem Eisbad gekühlt. Abschließend erfolgt die Kontrolle, ob die Restriktionsenzyme immer noch DNA schneiden können, und damit die Isolierung erfolgreich war. Da man heutzutage diese Enzyme auch kaufen kann, wird ein bestimmtes DNA-Molekül mit dem selbst hergestellten und dem gekauften Enzym geschnitten. Da jedes Restriktionsenzym ein typisches "Schnittmuster" erzeugt, kann das Ergebnis in einer Agarosegelelektrophorese optisch verglichen werden.

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Arbeit mit Proteinen erfordert ständige Kühlung der Proben im Eis
Test der isolierten Enzyme auf Aktivität

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The Art of Microscopy

Mikroskopieren ist seit jeher eine Faszination. Eine Welt, die mit unserem Auge nicht sichtbar ist, zeigt sich plötzlich in den ungewöhnlichsten Formen und Farben, die man so von Bakterien, Pilzen und anderen Kleinstlebewesen nicht erwartet. Verrufen als Keime und Krankheitserreger zeigen sie sich hier in einem anderen Licht, was man sicher auch als besondere Form der Kunst bezeichnen kann.

Die Schüler unseres Berufskollegs für Biotechnologische Assistenten erlernen im Rahmen ihrer zweijährigen Ausbildung den Umgang mit dem Mikroskop und die Herstellung unterschiedlichster Präparate, ungefärbt oder gefärbt. Da auch die Dokumentation ein essentieller Bestandteil des Experimentierens ist, entstanden so in den letzten Jahren immer wieder wunderschöne Bilder der Präparate – fotografiert direkt durch das Okular des Mikroskops.

Zu den zweidimensionalen Präparaten, die eine bis zu 1000fache Vergrößerung wiedergeben, kamen später auch Bilder dreidimensionaler Objekte, vor allem Kolonien von Bakterien und Pilzen auf Nährböden, aufgenommen mit Hilfe von Stereomikroskopen. Die Vielfalt an Motiven gab den Anstoß, die Fotos zu sammeln und zu einem Poster zusammenzustellen. Mittlerweile gibt es schon zwei A0-Plakate mit insgesamt 40 Abbildungen, die in unserer Schule zu bewundern sind.

Die schönsten dieser Bilder befinden sich nun auch auf Postkarten. Der Erlös aus dem Verkauf der Karten mit 1 Euro pro Stück geht zurück an die Schüler. Unterstützt werden sollen diejenigen, die sonst aufgrund finanzieller Probleme nicht an gemeinsamen Aktivitäten, wie Wandertagen oder Klassenfahrten, teilnehmen könnten.

Die Kunst der Mikroskopie  – von Schülern für Schüler.  

 

 

Diese zwölf Motive existieren derzeit in unserer Serie "The Art of Microscopy":

 

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Bild 1: Aspergillus
Bild 2: Joch- und Grünalgen
Bild 3: Pilzkolonie
Bild 4: Stärkekörner
Bild 5: Bakterienkolonie, einzeln
Bild 6: Drei Bakterienkolonien
Bild 7: Bakterien, Tuschefärbung
Bild 8: Dungpilze (1)
Bild 9: Dungpilze (2)
Bild 10: Kieselalgen
Bild 11: Kolonie eines Mikroorganismus
Bild 12: Kolonien verschiedener Mikroorganismen

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Bezaubernd. Bierisch. BTG - Bierbrauen@HLS

von Dr. Andreas Rueckert

Was tun, wenn die schriftlichen Abi-Prüfungen rum sind und das Warten bis zum Mündlichen quälend wird? Na klar, etwas außergewöhnliches unternehmen! So kam bei den beiden Abiturjahrgänge des Biotechnologischen Gymnasiums die Idee auf, Bier zu brauen. Schließlich ist Bierbrauen ja eines der klassischen biotechnologischen Verfahren, bekannt schon seit der Antike bei Sumerern und Ägyptern. So also konnte ein spannender Versuch starten.

 Nach der theoretischen Vorarbeit durch Herrn Jäger und Herrn Dr. Rueckert unter Anleitung von Dr. Axel Natsch begann am 09.05.2016 die praktische Arbeit des Brauens. An das Reinigen der Flaschen und Gerätschaften schloss sich das Maischen an: hierbei wurde der Malz über längere Zeit mit Wasser aufgekocht. Dabei löst sich die Stärke aus dem Malz im Wasser und wird in vergärbaren Malzzucker umgewandelt.

Anschließend wurde geläutert. Dies dient der Trennung von Flüssigkeit (Bierwürze) und den Malzresten (Treber) durch Filtration.

 

Maischen, filtrieren, gären

 

 

 

 

 

Die gewonnene Bierwürze wurde danach gemeinsam mit dem Hopfen wiederrum aufgekocht und anschließend in den Gärbottich gefüllt, welcher
dann, nach der Hefezugabe, bis zum Wiederbeginn der Schule nach den Pfingstferien im Kühlschrank gelagert wurde.

 

 

 

 

 Danach ging es an das Sterilisieren der Bierflaschen und die Abfüllung des Bieres. Hierbei war glücklicherweise direkt eine erste Verkostung durch Schüler wie Lehrer möglich, welche überwiegend positiv ausfiel.

 

 

 

Überschäumende Ergebnisse

Durch die Flaschengärung entwickelte sich dann schnell Kohlensäure im Bier, welche beim regelmäßigen Entlüften der Flaschen für die ein oder andere schäumende Überraschung sorgte aber auch für ein immer besserwerdendes Biererlebnis unseres BTG’s: "Eine Perle des Labors - Bezaubernd. Bierisch. BTG“

 

 

Insgesamt gestaltete sich das Bierbrauen als eine spannende und erfolgreiche Herausforderung für Schüler wie Lehrer. Es ist nicht auszuschließen, das kommende Generationen von jungen Biotechnologen an der HLS dieses Experiment wiederholen und verfeinern. Man darf auf die Ergebnisse gespannt sein.

 

 

 

"Eine Perle des Labors -

Bezaubernd. Bierisch ⇒ BTG“ 

 

 

 

 

 


 

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Ein Labor in der Schule

Um die Arbeit in einem Labor hautnah zu erleben, muss man nicht bis zum Beginn der Ausbildung oder des Studiums warten. Nein, man kann zu uns, in die Labore der Haus- und Landwirtschaftlichen Schulen kommen. Diese Labore sind die Arbeitsräume der Schüler, die sich für den biotechnologischen Zweig entscheiden – die Schüler im Biotechnologischen Gymnasium (BTG) oder die Auszubildenden des Berufskollegs für Biotechnologische Assistenten (BKBT).

Gerne öffnen wir diese Labor aber auch für Interessenten anderer Schulen. So geschehen im Juli 2017 für zwei Schülergruppen der Grimmelshausenschule in Renchen. Jeweils begleitet von ihrer Lehrerin, Frau Isenmann, konnten wir am Montag, den 17. Juli, interessierte Neuntklässler, und am Dienstag, den 18. Juli, Mitglieder der AG Astronomie bei uns begrüßen.

 

17. Juli: Wie isoliere ich meine DNA und was ist eine Gelelektrophorese?

Die DNA befindet sich in fast jeder Zelle des menschlichen Körpers. Für unseren Versuch haben wir Zellen aus der eigenen Mundschleimhaut durch vorsichtiges Abschaben entnommen und sie anschließend zerstört, um die DNA aus dem Zellkern herausholen zu können. Durch Zusatz verschiedener Enzyme und Chemikalien trennt man sie dann von allen anderen Zellbestandteilen ab. 

 

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Entnahme von Mundschleimhautzellen
Zerstörung der Zellen
Isolierung der DNA
Ergebnis der DNA-Isolierung

 

Die Gelelektrophorese ist eine Methode zur Trennung geladener Teilchen, z.B. auch DNA, in einem elektrischen Feld. Als Trägermaterial verwendet man Agarose, die wiederum aus Agar-Agar gewonnen wird. Letzteres kennt man auch als Geliermittel aus der Küche. Wie Agar-Agar härtet auch Agarose nach Aufkochen in einer Flüssigkeit und anschließendem Abkühlen zu einem Gel aus. In dieser Form setzen wir sie in der Elektrophorese ein. Die Farbstoffe, die als Beispiel geladener Teilchen in diesem Versuch voneinander getrennt werden sollen, werden in Vertiefungen dieses Gels pipettiert. Anschließend wird Spannung angelegt und die Farbstoffe wandern entsprechend ihrer Ladung zum Plus- oder zum Minuspol.

 

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Prinzip einer Agarosegelelektrophorese
Ergebnis der Farbstofftrennung

 

18. Juli: Wie arbeite ich mit Mikroorganismen?

Mikroorganismen – wie Bakterien, Hefen und andere Pilze – sind allgegenwärtig.  Nimmt man einen Quadratzentimeter unserer Hand, so können sich in diesem kleinen Bereich bis zu einer Million Bakterien befinden. Möchte man nun im Labor aber nur mit einem bestimmten Bakterienstamm arbeiten, so muss man verhindern, dass die Mikroorganismen auf unserer Haut den gewünschten Stamm verunreinigen. Dazu werden der Arbeitsplatz und alle Arbeitsmaterialien gründlich desinfiziert oder sterilisiert.

Um gezielt mit einem Organismus arbeiten zu können, muss man seine „Vorlieben“ kennen. Das heißt, bei welchen Temperaturen er gut wächst, welche Nährstoffe er braucht, usw. Wenn man diese Bedingungen kennt, stellt man Nährlösungen oder feste Nährböden her, in bzw. auf denen er wachsen kann. So kann man gezielt mit dem einen Organismus arbeiten und ihn auf bestimmte Eigenschaften untersuchen.

 

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Desinfizieren des Arbeitsplatzes
Arbeit mit Bakterien
Steriles Arbeiten

 

Wenn Ihr Lust habt, mit Eurer Klasse oder AG und Eurem Lehrer mal einen Experimentiernachmittag in unserem Labor zu verbringen, meldet Euch per Email bei Frau Sylvia Schöttler oder Herrn Marcel Jäger. Das Programm wird in Absprache erstellt.

 

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Allgemeine Informationen zu unseren Laboren

Der Biotrakt der HLS besteht aus dem Kernbereich, der nach den S1-Anforderungen für gentechnische Arbeiten zertifiziert ist und weiteren naturwissenschaftlichen Räumen für allgemeinen und Therorie-Unterricht. Im Kernbereich finden sich die Räume

  • C1.12 - Kursraum und Zellkulturlabor mit 8 Reinarbeitsplätzen
  • C1.12/1 - Lehrerlabor zur Vorbereitung, Gläserreinigung und Autoklavierung
  • C1.13 - S1 Labor I mit 16 Schülerarbeitsplätzen und 2 Reinarbeitsplätzen
  • C1.14 - S1 Labor II und Kursraum für 16 - 20 Schüler

Die Zertifizierung nach Standard S1 setzt umfangreiche bauliche Anforderungen voraus, die bedeutsame Eingriffe in die Gebäudesubstanz erfordern. Darin findet sich eine Labormöbelausstattung, die nicht nur den hohen hygienischen und keimvermeidenden Forderungen entspricht, sondern auch ganz spezifisch für den Gruppenunterricht mit Schülerinnen und Schülern konzipiert ist. Hier wurde an der HLS ab 2002 Pionierarbeit geleistet und mit Fachplanern für naturwissenschaftliche Laboratorien neue didaktische Konzepte entwickelt. Eine umfangreiche Ausstattung mit Groß- und Kleingeräten kommt hinzu, wird laufend ergänzt und optimiert. Allein die sächlichen Aufwendungen in den ersten fünf Jahren überschritten eine halbe Million Euro.

Arbeiten. lehren und lernen im S1-Bereich erfordert spezielle Herangehensweisen, um stets die Sicherheit aller Schülerinnen und Schüler sowie der Lehrkräfte zu gewährleisten. Das beginnt bei der vorgeschriebenen Kennzeichnung aller Materialien und Reagenzien und geht über geeignete Arbeitskleidung bis zur sorgfältigen Dokumentation der eingesetzten Verfahren. Umfassend ist auf Reinheit und Sterilität zu achten, damit verlässlich reproduzierbare Versuchsergebnisse erreicht werden können.

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Wie geht es nach der Schule weiter? - Betriebe und Einrichtungen der Biotechnologie

Hier stellen wir in loser Folge Betriebe und Einrichtungen vor, die ausgebildete Biotechnologische Assistenten beschäftigen, aber auch als Praktikumsbetrieb für Schüler des 2BKBT und BTG interessant sind.

Das Chemische und Veterinäruntersuchungsamt (CVUA) Freiburg beschäftigt etwa 200 Mitarbeiter. Die Hauptaufgaben des CVUA Freiburg sind:

  • Untersuchung und Beurteilung von Lebensmitteln im Rahmen der amtlichen Überwachung
  • Diagnostik von Tierkrankheiten und Tierseuchen
  • Tierschutz und Erhaltung der Tiergesundheit.

Hier geht's zur informativen Website der Einrichtung CVUA.

BAV-Institut-für-Hygiene-und-Qualitätssicherung

Das Institut bietet Unternehmen der Lebensmittel- Kosmetik- und Arzneimittelbranche Dienstleistungen in den Bereichen Hygiene und Qualitätskontrolle an. Untersucht werden zum Beispiel Bakterien und Keime in leicht verderblichen Lebensmittel wie Fleisch, Desserts oder Backwaren, außerdem aber Gewürze, Kosmetika oder Medikamente, die kurz vor der Marktreife stehen.

Hier gelangt Ihr zur Website der Unternehmung BAV.

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Stellenangebote

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