Der CEPLAS Schülerlaborworkshop

Oktober 2019, Köln Am Freitag, dem 11.10.2019, beginnt für vier Schülerinnen aus der Q1 nachmittags ein unglaublich spannendes Biologieprojekt an der Universität zu Köln. Dieses Projekt wurde in diesem Jahr von Fr. Bräuer mitorganisiert und für alle Interessierten aus der Jahrgangsstufe Q1 angeboten.

In dem Biologiezentrum der Universität zu Köln haben sich alle Teilnehmer mit dem Thema „Erbsen als Modellpflanze für die Erforschung der mutualistischen Symbiosen mit Knöllchenbakterien und Mykorrhizapilzen“ auseinandergesetzt. Das klingt nun zunächst ziemlich kompliziert. Deswegen ging es am Freitag auch noch nicht direkt in das Labor, sondern erst einmal in einen Vorlesungssaal. Dort trafen sie auf Schülergruppen zweier anderer Schulen und gemeinsam hörten sie sich einen interessanten Vortrag über die Grundlagen der unterschiedlichen Formen der Symbiose von Prof. Dr. Marcel Bucher an und warum es überhaupt Forschungen auf diesem Themengebiet gibt. Dazu erhielt jeder noch eine Mappe mit Informationen zu verschiedenen Versuchsabläufen sowie einer Zusammenfassung der Vorlesungsergebnisse zum späteren Nachlesen. Anschließend stellten sich auch die restlichen Organisatoren und Begleiter des Workshops vor: Christina Klever, welche gerade ihren Master in Biologie gemacht hat, Dr. Anne Braun und Dr. Mitzi Villajuana-Bonequi. Gemeinsam werden die drei die zwölf Teilnehmerinnen in der darauffolgenden Woche durch die Laborarbeit führen.

Am Montag begann der Workshop um neun Uhr morgens mit einer kurzen Wiederholung der Vorlesung. Dabei wurde noch einmal aufgezeigt, dass Symbiose das Zusammenleben zweier unterschiedlicher Arten beschreibt, sowie dass man bei der Symbiose zwischen drei Formen unterscheidet, und zwar zwischen dem Mutualismus, bei dem beide Partner einen positiven Nutzen ziehen, dem Kommensalismus, der für die eine Art positiv und für den anderen neutral ist und dem Parasitismus, bei dem eine Art (der Wirt) der anderen Art (dem Parasit) oftmals als Nahrungsquelle dient. Die Teilnehmer des Workshops beschäftigten sich ausschließlich mit dem Mutualismus.

Die Teilnehmer wurden danach in vier Gruppen eingeteilt. Jede Gruppe erhielt sechs „normale“ Erbsenpflanzen, sogenannte Wildtypen, und sechs mutierte Erbsenpflanzen, die P55-Mutanten. Jedoch sind die Pflanzen unter unterschiedlichen Bedingungen gewachsen. Bei Gruppe 1 gab es weder Symbionten noch wurden sie gedüngt, bei Gruppe 2 gab es keine Düngung, dafür aber Symbionten. Bei Gruppe 3 wurden die Pflanzen gedüngt, aber es sollten keine Symbionten vorhanden sein und bei Gruppe 4 gab es sowohl Symbionten als auch Düngung. Die richtige Laborarbeit startete nun mit der quantitativen Wachstumsanalyse, bei der die Sprosslänge, die Wurzellänge, das Gewicht der gesamten Pflanze, das Gewicht ausschließlich des Sprosses und ausschließlich der Wurzeln, die Anzahl von Blüten und Schoten, sowie das Gewicht der Schoten gemessen wurden.

 

Im Anschluss bekamen die Schülerinnen die Gelegenheit, selbst entnommene Wurzelproben des Wildtyps und der P55-Mutante zu mikroskopieren, um sie zu vergleichen und um mögliche Knöllchenbildung, die bei einer Symbiose zwischen Bakterien und einer Pflanze auftritt, zu sehen.

Wurzelknöllchen

Proben

 

 

Daraufhin wurden die Wurzelproben erst mit Kaliumhydroxid-Lösung gereinigt und dann mit Tintenlösung eingefärbt, im Thermomixer inkubiert und mit Essiglösung wieder entfärbt. Dadurch sollen die für eine Symbiose mit Pilzen (Mykorrhizierung) typischen Bäumchenstrukturen beim späteren Mikroskopieren erkennbar werden. Am Ende dieses Tages wurden die Ergebnisse des Mikroskopierens noch gesichert.

 

Bäumchenstrukturen

Am Dienstag wurden die Erbsenpflanzen molekulargenetisch untersucht. Aber wie genau funktioniert denn so eine molekulargenetische Untersuchung?

Damit diese funktioniert, benötigt man zunächst einmal DNA. Diese extrahierten die Schülerinnen aus den Blättern: einmal aus denen des Wildtypen und einmal aus denen der P55-Mutante. Dafür wurde ein Blatt jeder Sorte erst einmal in ein Gefäß (in einen sogennanten „Eppi“) getan, in dem es dann mit einem Mörserstäbchen zerkleinert wurde, bevor es in ein anderes Gefäß mit Extraktionspuffer, der bei der Auflösung der Zellkernwände hilft, überführt wurde. Danach wurde dieses Gemisch zentrifugiert, bevor der Überstand, also die Flüssigkeit, abgetragen wurde.

Eppi mit Blatt

Durch die Zentrifugation trennen sich die Feststoffe von der Flüssigkeit, in der sich die DNA befindet. Diese wird nun durch sogenanntes Miracloth, also sehr feines Filterpapier (ähnlich wie ein Kaffeefilter, nur sehr viel feiner), pipettiert. Jetzt wurde zu der gefilterten Flüssigkeit erst Isopropanol hinzugegeben, dann wurde das Gemisch zentrifugiert und der Überstand wurde wieder abpipettiert. Nun wurde der Vorgang zweimal mit Ethanol wiederholt. Dies dient dazu, um andere Bestandteile von der DNA zu waschen. Danach wurden die Gefäße mit der DNA kopfüber hingestellt, damit sich mögliche Ethanolreste verflüchtigen und so die DNA Probe nicht verunreinigen.

Am Mittwoch waren die Teilnehmerinnen nun in der Lage mit der extrahierten DNA weiterzuarbeiten. Als erstes maßen sie die DNA-Konzentration ihrer Proben, da sie diese für den nächsten Arbeitsschritt, der Polymerase Kettenreaktion/ polymerase chain reaction (PCR), benötigten. Damit diese PCR am besten abläuft, wird eine Konzentration von 50-100 ng/µL (also 50 bis 100 Nanogramm pro Mikroliter) benötigt und sollte die extrahierte DNA nicht zufällig diese Konzentration besitzen, muss sie mit Wasser verdünnt werden. Der darauffolgende Schritt, die PCR, ist eine Methode zur Vervielfältigung der Erbsubstanz. Man macht diesen Schritt, um die Proben miteinander vergleichen zu können und um noch welche als Backup zu haben, falls die darauffolgenden Versuche nicht direkt funktionieren.

Auf die PCR folgt der Restriktiosfragmentlängenpolymorhismus (RFLP). Mit der PCR können die Gene des Wildtyps und der P55-Mutante zwar vermehrt, aber nicht unterschieden werden. Die beiden unterscheiden sich nämlich nur in einer kurzen Sequenz. Durch die RFLP wird der „genetische Fingerabdruck“ festgestellt, wobei Enzyme eingesetzt werden, die sich an bestimmte DNA-Sequenzen binden und die DNA durchschneiden. Die DNA-Sequenz, die die P55-Mutante und den Wildtyp unterscheidet, stellt nun eine weitere Stelle dar, die von den Enzymen durchgeschnitten wird. Dadurch kommt es zu einem Schnittmuster bei der P55-Mutante, welches sich von dem des Wildtyps unterscheidet.

Schnittmuster​​​​​​

Dieses Schnittmuster zeigte sich den Schülerinnen nun am letzten Tag ihres Workshops bei der Gelelektrophorese. Diese wurde von den Leitern des Workshops am Vortag schon vorbereitet, da dieser Vorgang relativ lange dauert und ziemlich kompliziert ist. Die Teilnehmerinnen durften jedoch ein Übungsgel erstellen, bei dem sie replizierte DNA aus der PCR in die Geltaschen einfüllen durften. Durch Gelelektrophorese können die DNA-Fragmente ihrer Länge nach aufgeteilt werden, wobei das Gel wie ein Sieb funktioniert, das kleinere Fragmente schneller durchqueren können als große Fragmente.

Somit konnten die Schülerinnen diese Art von Mutation, die sie im Unterricht kennengelernt haben, selbst in der DNA erkennen. Außerdem konnten sie das typische Arbeiten im Labor mit all seinen Facetten kennenlernen und sie bekamen am Ende des letzten Tages einen Eindruck davon, wie sie die Ergebnisse der letzten Tage in einer wissenschaftlichen Präsentation anderen vorstellen. Aber hat es sich denn gelohnt, die erste Woche der Herbstferien von 9 bis 16 Uhr in dem Unilabor zu verbringen? „Also ich persönlich fand es sehr interessant und sehr gut, dass wir fast alles selbst experimentieren durften“, äußerte sich eine der vier Q1-Schülerinnen unserer Schule. Auch die anderen Schülerinnen scheinen diese Meinung zu teilen.

Man kann also sagen, dass der CEPLAS Schülerlaborworkshop ein echter Geheimtipp für alle Schüler/innen ist, die sich für die Arbeit in einem Labor oder generell sehr für das Fach Biologie interessieren.   

von Shona Rudolf