Bio-Lab: Die Experimentierwerkstatt der Hochschule Flensburg

Hintergrund:

Vielfach wird in Nahrungsmitteln (Wurst, Fleisch, Döner etc.) ein Tier angegeben, welches das Ausgangsmatrial für eben diese Essware  bilden soll(te). Dies ist, besonders im Großhandel, oft nicht der Fall.

Methode:

Jede Tierart weist neben speziellen Proteinen (früher oft nachgewiesen durch Präzipitintest) auch Eigenarten der DNA auf. Mit speziellen Markern lassen sich verscheidene Tierarten sicher trennen. Hier stehen Marker für Rind, Schwein, Pute und Huhn zur Verfügung.

Durch Mazeration, DNA-Extraktion, Aplifikation per PCR und Gel-Elektrophorese wird eine beliebige Probe (Wurst, Fleisch, Pastete) untersucht.

Zeitaufwand:

ca. 5 Stunden

Hintergrund:

Das Darmbakterium Escherichia coli hat spezifische Feinde, gut untersucht ist ein Virus mit Namen „Phage Lambda“. Das Darmbakterium hat (genau wie viele andere Bakterien) spezielle Enzyme entwickelt, mit deren Hilfe es Stückchen aus der Viren-DNA herausschneidet. Damit ist der Angriff des Virus abgewehrt. In der Biochemie macht man sich die sehr große Wirkungsspezifität verschiedener Bakterien-Enzyme zunutze. Diese sogenannten Endo-Nukleasen gibt es für unterschiedlichste Basen-Sequenzen.

Methode:

Die vorbereitete Lambda-DNA wird vorbereitet mittels Pipettierschritten und mit mehreren Enzymen versehen. Das Gel für die Gel-Elektrophorese wird gegossen und die unterschiedlich geschnittenen Proben werden unter UV-Licht ausgewertet. Kombiniert bzw. erweitert werden kann als Vorübung (ca. 3-4h) eine Lambda-PCR.

Zeitaufwand:

ca. 2,5 bis 3 Stunden

Hintergrund:

Das Darmbakterium Escherichia coli hat spezifische Feinde, gut untersucht ist ein Virus mit Namen „Phage Lambda“. Dieses Virus pumpt seine DNA in den Wirt – der Wirt vermehrt (kloniert) die Fremd-DNA.  Damit liegt, wenn es keine enzymatischen Abwehrschritte des Bakteriums gibt, nach kurzer Zeit eine Bakterienhülle voller Fremd-DNA vor. Diese Viren-DNA lässt sich in der Biochemie vielfältig nutzen, man muss sie nur mit geeigneten Schritten vermehren (amplifizieren).

Methode:

Die vorliegende Lambda-DNA-Probe wird mittels Pipettierschritten aufbereitet und mit mehreren Enzymen versehen. Dann erfolgt eine PCR. Anschließend kann die Lambda-DNA per Gel-Elektrophorese in verschiedene Fraktionen aufgetrennt werden. In diesem Versuch geht es (auch) um sorgfältiges Pipettieren.

Zeitaufwand:

ca. 3 bis 4 Stunden

Hintergrund:

Jeder Mensch hat einen diploiden Chromosomensatz. Eine Hälfte kommt vom Vater, eine von der Mutter. Die Weitergabe erfolgt zufällig, so dass homozygote und heterozygote Merkmale entstehen. Auf dem Chromosomen 16 gibt es eine Basensequenz aus 641 Basen, die man keiner Funktion zuordnen kann. Deswegen hat diese, leicht zu analysierende Sequenz keinen medizinisch-diagnostischen Wert, wohl aber eine große Bedeutung in der Populationsbiologie des Menschen und auch in der Kriminalistik.

Methode:

Die DNA-Gewinnung erfolgt über Isolation von Mundschleimhautzellen. Nach deren Aufbereitung erfolgt eine PCR, danach wird mit Endonucleasen spezifisch geschnitten und über Gel-Elektrophorese ausgewertet. Die statistische Auswertung nach Hardy-Weinberg bietet viele Möglichkeiten der Nachbereitung. Thema kann ebenfalls der Vaterschaftstest sein.

Zeitaufwand:

ca. 5 bis 6 Stunden

Hintergrund:

Wenn bei Kriminalfällen (oder bei historischen Leichen oder Familienzusammenführungen) ein Täter gesucht wird, ist oft nur wenig an Hinweisen vorhanden. Allerdings weisen Haare, Hautzellen und andere Gewebereste fast immer Zellen auf, aus denen man die DNA dieser Person zweifelsfrei analysieren kann. Um die zugehörige Person zu einem Gewebsfund zu bestimmen, muss nicht das ganze Genom sequenziert werden. Es reicht aus, das Vorhandensein einiger kurzer, aber personenspezifischer Basensequenzen zu bestimmen.  Ein Vergleich von DNA der Spuren mit einem Verdächtigen lässt eine sichere Übereinstimmung, falls vorhanden, zu.

Methode:

Die DNA-Proben liegen als Rohmaterial schon vor. Sie müssen aufbereitet und vervielfältigt werden per PCR. Danach wird das Material enzymatisch behandelt.  Die so geschnittenen Sequenzen werden mittels (selbst gegossener) Gel-Elektrophorese analysiert. Bandenanalyse überführt den möglichen Täter unter dem UV-Scanner. Die Methode zeichnet original den Vortest zur Täterermittlung nach, wie er vom Landeskriminalamt durchgeführt wird. Man „begnügt“ sich im Vortest mit zwei Endonukleasen – das spart Zeit und vor allem Geld.

Zeitaufwand:

ca. 6 bis 7 Stunden

Hintergrund:

Wenn die von Tatorten sichergestellte DNA aus Haaren, Speichelresten oder Ähnlichem vorliegt in vervielfältigter Form (durch die PCR-Technik), wird sie oft erst einmal eingefroren aufbewahrt. Hat man dann Verdächtige oder Vergleichsproben einer Reihenuntersuchung, kann man ein genetisches Täterprofil erstellen.  Es reicht aus, das Vorhandensein einiger kurzer, aber personenspezifischer Basensequenzen (den sogenannten str-Bereichen) zu bestimmen. Das gesamte Genom zu sequenzieren, wäre sinnloser Aufwand. Ein Vergleich der enzymatisch aufbereiteten Tatortproben mit einer DNA-Probe eines Verdächtigen lässt eine sichere Übereinstimmung, falls vorhanden, zu.

Methode:

Die DNA-Proben sind vorgegeben und auch schon amplifiziert (per PCR vervielfältigt). Durch sorgfältiges Pipettieren wird die Probe aufbereitet, inkubiert und per (selbst gegossener) Gel-Elektrophorese analysiert. Bandenanalyse überführt den möglichen Täter unter dem UV-Scanner. Die Methode lässt sich durch Aufbereitung der Proben und Gewinnung der nötigen Menge per PCR erweitern (Versuch „crime scene“, dauert noch ca 3 h länger)

Zeitaufwand:

ca. 4 bis 5 Stunden

 - aktuell nicht im Standardprogramm, kann aber angefragt werden -

Hintergrund:

Bei Ausbruch und Verbreitung von Seuchen kommt es nicht nur darauf an, möglichst schnell und gezielt Infizierte zu behandeln. Zu wissen, auf welchen Wegen sich die Seuche ausbreitet, ist fast genau so wichtig. Das hier vorgestellte „Enzyme-linked-immunosorbent-assay“ (antikörperbasiertes Nachweisverfahren) ist eine Methode, schnell und genau Spuren von Antikörpern festzustellen. Damit ist sowohl das Vorhandensein als auch die Stärke der verantwortlichen Erreger (Viren oder Bakterien) feststellbar. Antigene Strukturen können Ebola-Viren, HIV-Erreger, Grippe-Viren oder andere sein.

Methode:

Eine gewisse Menge Körperflüssigkeit wird isoliert, im Versuch ist sie (aus gesetzlichen Gründen) vorgegeben. Durch Applikation an eine spezielle Probenkammer mit eingearbeiteten Antikörpern kommt es zur Aufkonzentration von Antigenen. Diese binden an die Gefäßwände und werden so immobilisiert. Dort werden sie kolorimetrisch nachgewiesen, indem weitere spezifische Antikörper mit Markern zugegeben werden. Durch Stärke der Gelb- oder Blaufärbung lässt sich halbquantitativ Qualität und Menge des Erregers abschätzen. Experimentelle Vermischung simuliert den Übertragungsweg.

Zeitaufwand:

ca. 2,5 bis 4 Stunden (gut geeignet, wenn viel Zeit und eine PCR-Pause)

 - aktuell nicht im Standardprogramm, kann aber angefragt werden -

Hintergrund:

Tierische Zellen enthalten DNA. Diese ist im Zellkern lokalisiert, die gesamte Zelle ist als Zellverband einem bestimmten Organ zugeordnet. Bei einigen menschlichen Geweben, besonders Schleimhäuten, ist nur ein loser Zusammenhalt der Zellen gegeben, diese lassen sich also leicht gewinnen. Eine genaue Extraktion, wie in diesem Versuch, ist auch durch eine einfache Methodik zu gewährleisten.

Methode:

Durch Ausspülen der Mundhöhle mit einem isotonischem Medium lassen sich Tausende von Zellen gewinnen. Durch Zugaben von gepufferten Enzymen werden Zellwände aufgebrochen und zelleigene Enzyme inaktiviert. Inkubierung fördert die Enzymatik. Durch Phasentrennung ergibt sich eine Konzentration der DNA. Die Eigen-DNA kann per Pipette mechanisch isoliert werden und in Alkohol nach Haus getragen werden.

Zeitaufwand:

ca. 30 Minuten (gut geeignet für eine längere Pause und um basale cytologische Phänomene zu wiederholen )

Hintergrund:

Vielfach wird in Nahrungsmitteln mit oder aus Fisch und anderen Seetieren (Krabben, Muscheln, Seegurken) eine Art angegeben, welche das Ausgangsmatrial für eben diese Essware  bilden soll(te) – siehe auch Versuch 1. Im Falle der Fischarten ist ein Herkunftsnachweis besonders schwer, weil es viele morphologisch ähnliche Arten gibt. Zudem wird in der Lebensmittelindustrie nicht selten geschummelt – es winken hohe Gewinnspannen! Daher ist eine einheitliche Bibliothek aus Barcodes für Lebewesen für die Wirtschaft wie für die Forschung interessant. Dies gilt auch für die Identifikation von Zwillingsarten, Arten, die konvergent unter ähnlichen Selektionsbedingungen evolutioniert wurden. So entsteht langsam eine Bibliothek aller Lebewesen in Form von Barcodes.

Methode:

Bei Tieren taucht in jeder Art eine bestimmte Region auf, die Cytochrom-C-Oxidase. Diese, genauer den Abschnitt 1 (COI), gilt es in diesem Versuch zu isolieren. Dazu wird ein Gewebestück eines Fisches isoliert, fein zerteilt (mazeriert) und enzymatisch aufbereitet. Die gewonnene DNA wird chromatographisch aufgereinigt, mit Primern versehen und per PCR amplifiziert. Diese Menge Fisch-DNA ist Ausgangspunkt zweier weiterer Schritte:

Ein Teil der gewonnenen DNA wird zur Kontrolle per Elektrophorese analysiert. Ein anderer Teil wird zur exakten Artbestimmung mittels Sequenz-Analyse eingeschickt in ein externes Labor.

Zeitaufwand:

Zwei Tage, Labortag ca 5h, Auswertetag ca 1h (je nach Probenzahl)

Hintergrund:

Bakterien haben die erstaunliche Fähigkeit, neues Genmaterial aufzunehmen und zu nutzen. Damit stehen Bakterien schnell, tw. innerhalb von Stunden, neue Fähigkeiten zur Verfügung. Grund ist die Möglichkeit, zusätzliches Genmaterial, z. B. als Plasmide, einzuschleusen. Dies kann durch Konjugation, durch Transduktion (Viren als Gen-Fähren) oder durch Transformation geschehen. Transformation ist der Laborprozess dieses Versuches.  Das Einschleusen eines Gens, welches ein grün floureszierendes Protein (GFP) erzeugt, hat viele Anwendungsmöglichkeiten. Man kann zum Beispiel genau den Bakterienstamm identifizieren, der das „Leuchtprotein“ aufweist.

Methode:

Die Bakterienkulturen von E. coli werden nach Überimpfen mit einer Suspension eines Plasmides versehen. Dieses Plasmid mit der Bezeichnung pGLO (p für Plasmid, GLO für „glow“) wird durch unterschiedliche Behandlungen in das Bakterium eingeschleust (Hitze, Kälte, Ladungsneutralisierung). Die vorbereiteten Bakterienstämme haben unterschiedliche Eigenschaften. Nach Inkubation und anschließendem Auszählen wird der Transformationserfolg berechnet. Das synthetisierte Protein GFP kann mittels chromatographischer Trennsäulen isoliert werden. Der Test auf Floureszenz erfolgt durch UV-Licht. Ein weiterer Test auf Erfolg der Transformation ist die Nutzung eines weiteren Genes  des pGLO-Plasmides.

Zeitaufwand:

ca. 5-6h  an zwei Tagen (ca. 2-2,5h pro Versuchsschritt)

Hintergrund:

Selbst in hoch verarbeiteten Lebensmitteln wie Fruchtsäften aus Saftkonzentrat, Tomatenpüree, Quark oder Sahne sind noch eine Menge pflanzliche oder tierische Zellen samt ihrer DNA enthalten. Nachweise einer bestimmten Pflanze oder eines Tieres sind bei Zweifeln an Inhaltsstoffen oft gewünscht, um die Hauptinhaltsstoffe zu erfassen. Ob Orangensaft im Supermarkt aus Orangen stammt oder Quark von der Kuh, ist nicht unbedingt sicher.

Methode:

Zunächst werden die Lebensmittel-Proben mittels chemischer Lyse vorbehandelt und die zelluläre DNA - so vorhanden - freigesetzt. Die DNA-Bindung erfolgt an magnetische Partikel. Zellreste, Hemmstoffe und Ähnliches werden durch Waschschritte entfernt. Aufgrund der magnetischen Eigenschaften des DNA-Trägermaterials kann dieses leicht separiert werden. Die DNA wird durch Erhitzen von den Trägerpartikeln entfernt. Die DNA kann nun per PCR amplifiziert werden und mit Markern auf die spezifische Art oder Gattung geprüft werden (per Gel-Elektrophorese)

Zeitaufwand:

ca . 5h