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Ausstellung „Faszination Biotechnologie“ Thema der Führung: „Enzyme, die Werkzeuge der Biotechnologie“ Handreichung für Lehrerinnen und Lehrer Herausgegeben vom Zentrum für Umweltkommunikation der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gGmbH Ansprechpartnerin für Führungen ist Kerstin Schulte (Tel.: 0541/9633-941) Verantwortlich für die Ausstellung ist Ulrike Peters Zum Inhalt der Führung: Mit dem Thema „Enzyme, die Werkzeuge der Biotechnologie“ haben Sie sich ein interessantes Thema zur Ergänzung Ihres Unterrichtsstoffes ausgesucht. Denn in der Ausstellung „Faszination Biotechnologie“ geht es nicht einfach nur um Enzyme, sondern um die Extremozyme, das sind Enzyme von Mikroorganismen aus extremen Lebensräumen. Diese nehmen in modernen Produktionsprozessen eine immer größere Bedeutung ein, da sie dort leben, wo andere längst aufhören zu arbeiten. Ihr Potential für den Umweltschutz ist groß. In der Ausstellung „Faszination Biotechnologie“ befasst sich ein Projekt aus dem Textilbereich mit den Extremozymen, im Bereich Kulturgüter bekommen Sie zu sehen, wie Enzyme helfen unser kulturelles Erbe zu schützen. Sie werden sich mit Ihren Schülern in der Ausstellung auf eine interessante Entdeckungsreise begeben können, unter anderem in die Welt der Extreme. Als Hintergrundinformationen für Sie persönlich haben wir folgende Artikel (auf Anfrage schicken wir Ihnen entsprechend gemarkerte Artikel gerne zu) und Links aus dem Internet zusammengestellt. Zu beachten gilt, dass die Führung sich mit diesem Thema intensiv befasst, Sie sollten im Unterricht also nicht zu viel vorweg nehmen. Wir empfehlen, mit den Schülern den Text zum integrierten Umweltschutz vorher durchzuarbeiten, da es für den Ausstellungsbesuch sinnvoll ist, wenn die Schüler eine Vorstellung davon haben, was integrierter Umweltschutz bedeutet. Die folgenden Tipps und Anregungen sind teilweise fächerübergreifend für die Fächer Biologie, Chemie, Biochemie und Deutsch angelegt. 2 Tipps für die Vor- oder Nachbereitung des Ausstellungsbesuchs: Rechercheübung zu den extremophilen Mikroorganismen. Wenn in eine Suchmaschine wie google „Extremophile“ eingegeben wird, bekommt man ziemlich viele Quellen zu den Extremophilen. Auf der Seite der Technischen Universität HamburgHarburg war im Archiv ein Übersichtsartikel zu den Extremophilen zu finden. Weitestgehend wird das dort Geschriebene in der Führung angesprochen. Zur Nachbereitung bzw. als Überblick für weitere Aufgaben ist der Artikel durchaus hilfreich, er ist beigefügt. Einige der Mikroorganismen, die in der Ausstellung zu sehen sind, wie Thermus aquaticus, Pyrococcus furiosus oder Thermoanaerobacter keratinophilus wurden längst auf ihre verschiedenartigen Einsatzmöglichkeiten in technischen Prozessen geprüft und übernehmen in heutigen Produktionsprozessen tragende Rollen. Tipp: Welcher Organismus wird wo eingesetzt. Unter http://www.g-o.de (Eingabe Extremophile in die Suchfunktion) finden sich richtige Karrierebeschreibungen einiger Organismen. Viele der Schüler werden sich sehr gut mit extremen Sportarten auskennen. Wie wäre es mit einem Gespräch über andersartige Extreme, nämlich die Wissenschaftler, die extreme Bedingungen ausgestanden haben, um die Extremophilen aufzuspüren. Denn die extremen Lebenskünstler aufzuspüren bedarf oft auch extremer Methoden. Ein relativ aktuelles Beispiel liefert der ehemalige Präsident der TUHamburg-Harburg, Prof. Dr. rer. nat Hauke Trinks. Dieser war für ungefähr ein Jahr mit seinem Boot vor Spitzbergen eingefroren, um nicht nur die Struktur des Eises und den Ursprung des Lebens im Eis zu ergründen, sondern auch um kälteliebende Mikroorganismen zu finden. Nicht nur seine Reise an sich ist ein spannendes Erlebnis, sondern auch seine Erfahrungen, die teilweise Grenzerfahrungen darstellen. Er ist schon wieder unterwegs, im Sinne der Forschung, aber dieses Mal nicht alleine. Die Schüler könnten im Rahmen des Projektunterrichts ein Essay über einen solchen Forscher erstellen. 3 Alternativ könnten die Schüler selber einen Exkursionsbericht einer Forschungsreise nachstellen beispielsweise zum Thema: „Von der heißen Quelle bis zum Einsatz im Produktionsprozess – auf der Spur eines Enzyms“. Quellen: • Der Einführungstext zum integrierten Umweltschutz stammt aus folgendem Buch: „Industrielle Nutzung von Biokatalysatoren Ein Beitrag zur Nachhaltigkeit – 15. Osnabrücker Umweltgespräche – “, Initiativen zum Umweltschutz 14, St. Heiden/A.-K. Bock/G. Antranikian (Hrsg.), DBU Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Erich Schmidt Verlag GmbH & Co., Berlin 1999, Seite 3-26 • „Biokatalyse“, St. Heiden und Rainer Erb (Hrsg.), Sonderausgabe der DBU in Kooperation mit BIOspektrum, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 2002 • http://www.3sat.de/nano/ • http://www.welt.de/ • „Stoffwechselphysiologie“, Karl-Heinz Scharf/Wilhelm Weber, Schroedel,1987 • „Grundwissen Biologie“, Reiner Kleinert u.a., Mentor Verlag, 2002 • „Industrielle Nutzung von Biokatalysatoren Ein Beitrag zur Nachhaltigkeit – 15. Osnabrücker Umweltgespräche“, Stefanie Heiden u.a., Erich Schmidt Verlag, 1999 4 Ausstellung „Faszination Biotechnologie“ Fehlertext/Lehrerexemplar Mal sehen, ob Sie bei der Führung aufgepasst haben. In diesen Artikel haben sich zwölf Fehler eingeschlichen. Viel Spaß beim Suchen... Enzyme und Extremozyme Biotechnologie heißt Mikroorganismen Woran liegt es, dass ein Stück Brot, und ihren Stoffwechsel in technischen wenn wir es länger kauen, süß Prozessen zu nutzen. Enzyme sind schmeckt? Des Rätsels Lösung liegt zumeist die Werkzeuge der Biotechno- im Zahnbelag (falsch, im Speichel), er logie. Neue Wege eröffnen sich durch enthält ein Protein, das die Stärke, die den Enzymeinsatz, die klassischen, im Brot enthalten ist, in das Disaccha- chemisch-physikalischen rid Maltose, einen Zucker, spaltet. Das Wege können so durch den Einsatz Protein beschleunigt die an sich un- eines biotechnologischen Verfahrens glaublich langsam ablaufende Stärke- optimiert oder gar ersetzt werden. En- spaltung. Es wirkt als Katalysator, d. h. zyme bieten als Beschleuniger. Proteine, die solch im Gegensatz zu den herkömmlichen eine katalytische Wirkung haben, Verfahren oft elegantere Lösungen an. nennt man Enzyme, oder Biokatalysa- Häufig sind diese aus ökonomischer toren. Das von ihnen umgesetzte Mo- und ökologischer Sicht auch noch vor- lekül ist ihr Substrat. Während Enzyme teilhafter. ihr Substrat in das Produkt der Reakti- Viele Produkte können mit Hilfe von on umwandeln, verdoppeln die Enzy- Enzymen hergestellt werden, ob nun me ihre eigene Größe (falsch, Enzyme Feinchemikalien, pharmakologische gehen unverändert aus den Reaktio- Wirkstoffe, Tequila (nein, Textilien) und nen hervor). Sie sind Reaktions- und Aminosäuren. auch Substratspezifisch, sie arbeiten Enzyme arbeiten unter bestimmten spezifisch, selektiv und effektiv. Bedingungen optimal, das sind bei5 spielweise Temperaturen um die 10 °C gungen schuf bei Ihnen einen Zellauf- (40 °C). In modernen Produktionskes- bau und einen Stoffwechsel, der sich seln können Temperaturen um die 80 stark von den bisher bekannten, me- – 90 °C herrschen. Könnte denn dort sophilen Organismen unterscheidet. eines der uns bekannten Enzyme ü- Die Enzyme und Zellmembranen wei- berleben? sen Eigenschaften auf, die für die industrielle Anwendung durchaus Poten- Ja, denn es gibt so genannte Al- tiale bergen. leskönner-Mikroorganismen (falsch, Extremophile Mikroorganismen). Wo So genannte Thermophile – wärmelie- kein anderer Organismus existieren bende – leben in Umfeldern geother- kann, da leben und arbeiten sie. Bei- mischen Ursprungs in marinen Bioto- spielsweise in der Tiefsee, bei Drücken pen, in seichtem Gefilde oder der Tief- von mehreren 100 bar, in heißen vul- see, in den Lavaspalten, heißen Quel- kanischen Quellen bei über 100 °C, in len oder den so genannten „Black kalten Regionen um den Gefrierpunkt, smoker“, wo Temperaturen bis zu 400 in Salzseen, ebenso in Umgebungen °C herrschen können, Sauerstoff gibt mit sehr niedrigem oder auch sehr ho- es dort meist nicht. hem Säuregehalt, bei Smogalarm in Die Psychophilen (sie heißen Psych- Großstädten (falsch, ergänzt), oft unter rophile) Mikroorganismen - kältelie- Ausschluss von Sauerstoff. Warum bende - leben in polaren Regionen, in sollten ihre Enzyme dann solchen Be- den arktischen Meeren bei –2 bis 4 °C. dingungen nicht auch standhalten? Alkaliphile leben in alkalischem Überwiegend gehören diese Organis- Grundwasser, Salzseen oder Salzwüs- men dem Reich der Orchideen (nein, ten bei einem pH-Wert bis zu neun, Archaeen) an, dem vermutlich ältesten oder bei hohen Salzkonzentrationen. Bakterienstamm der Erde. Anfänglich Halophile Mikroorganismen - die Salz- hat man sie nur gesucht und kultiviert, liebenden - leben bei drei - das ist der bis man Mitte der 80er Jahre auf die Salzgehalt des Meerwassers - bis zu Idee kam, dass ihre Enzyme auch be- 35 % Salzgehalt. Diese Bedingungen sondere Eigenschaften haben müss- gibt es in toten Fischen (nein, toten ten, die man nutzen sollte. Die Anpas- Seen) , Salzlaken oder Salzseen. sung an ihre extremen Umweltbedin6 In heißen schwefelhaltigen Gebieten, Mikroorganismen aus den extremen bei pH-Werten von 1 – 3.5 und Tempe- Lebensräumen heißen, ausreichende raturen bis 85 °C leben extrem aci- Stabilität und Aktivität in den indus- dophile, gleichzeitig sind sie damit triellen Prozessen. auch therapeutisch (falsch, therIn der Ausstellung wird gezeigt, wie mophil). Barophil sind die Mirkoorga- Extremozyme zur Verbesserung von nismen, die unter hohem Druck existie- Wolleigenschaften genutzt werden. In ren, in Tiefen von 3000 – 10 000 m. den heißen Quellen der Azoreninsel São Miguel wurde beispielsweise ein Jede dieser Gruppe hat einzigartige Mikroorganismus gefunden, Thermoa- biochemische Eigenschaften, die für naerobacter keratinophilus, der ein Einsätze in der biochemischen Indust- Enzym produziert, das beim Wollver- rie ausgenutzt werden können. Als edlungsprozess eingesetzt werden wichtigste Gründe für ihren Einsatz kann. Er wächst optimal bei 70 °C und sind ihre hohe Stabilität und das gerin- einem pH-Wert um sieben unter anae- gere Kontaminationsrisiko zu nennen. roben Bedingungen. Das heißt in den großen Fermentern, Diese Protease, also ein Protein spal- in denen die Produktionsprozesse ab- tendes Enzym – Wollfasern bestehen laufen, überleben tatsächlich nur diese aus dem Protein Keratin – kann die Mikroorganismen, da ihnen die Tem- Wolle direkt am Schaf behandeln, peraturen und Säuregrade nichts aus- - Wollfäden verlängern (zweimal er- machen. gänzt, falsch), die Anfärbbarkeit von Zahlreiche Produktionsprozesse der Wolle erhöhen und die Filzneigung von Lebensmittel- der Chemischen- und Wolle auf umweltschonendem Wege der Pharmazeutischen Industrie laufen verringern. Die Enzymzugabe ist in energieaufwändig und bei hohem den alkalischen Vorwäscheschritt zur Druck und Temperaturen ab, oder sind Wollfärbung integriert. auf den Einsatz ökologisch bedenklicher Lösemittel angewiesen. Der Ein- Weitere Informationen: satz von Biokatalysatoren verspricht http://www.dbu.de/ausstellungen, umweltfreundlichere Bedingungen und E-mail: [email protected] seit der Entdeckung der Eigenschaften der Extremozyme, wie die Enzyme der 7 Ausstellung „Faszination Biotechnologie“ Fehlertext/Schülerexemplar Mal sehen, ob Sie bei der Führung aufgepasst haben. In diesen Artikel haben sich zwölf Fehler eingeschlichen. Viel Spaß beim Suchen... Enzyme und Extremozyme Woran liegt es, dass ein Stück Brot, wenn wir es länger kauen, süß schmeckt? Des Rätsels Lösung liegt im Zahnbelag, er enthält ein Protein, das die Stärke, die im Brot enthalten ist, in das Disaccharid Maltose, einen Zucker, spaltet. Das Protein beschleunigt die an sich unglaublich langsam ablaufende Stärkespaltung. Es wirkt als Katalysator, d. h. als Beschleuniger. Proteine, die solch eine katalytische Wirkung haben, nennt man Enzyme, oder Biokatalysatoren. Das von ihnen umgesetzte Molekül ist ihr Substrat. Während Enzyme ihr Substrat in das Produkt der Reaktion umwandeln, verdoppeln die Enzyme ihre Größe. Sie sind Reaktions- und auch Substratspezifisch, sie arbeiten spezifisch, selektiv und effektiv. Biotechnologie heißt Mikroorganismen und ihren Stoffwechsel in technischen Prozessen zu nutzen. Enzyme sind zumeist die Werkzeuge der Biotech nologie. Neue Wege eröffnen sich durch den Enzymeinsatz, die klassischen, chemisch-physikalischen Wege können so durch den Einsatz eines biotechnologischen Verfahrens optimiert oder gar ersetzt werden. Enzyme bieten im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren oft elegantere Lösungen an. Häufig sind diese aus ökonomischer und ökologischer Sicht auch noch vorteilhafter. Viele Produkte können mit Hilfe von Enzymen hergestellt werden, ob nun Feinchemikalien, pharmakologische Wirkstoffe, Tequila und Aminosäuren. Enzyme arbeiten unter bestimmten Bedingungen optimal, das sind beispielweise Temperaturen um die 10 °C. Könnte denn eines der uns bekannten Enzyme in modernen Produktionskesseln überleben? Dort können Temperaturen um die 80 – 90 °C herrschen. Ja, denn es gibt so genannte Alleskönner- Mikroorganismen. Wo kein anderer Organismus existieren kann, da leben und arbeiten So genannte Thermophile – wärmelie- sie. Beispielsweise in der Tiefsee, bei bende – leben in Umfeldern geother- Drücken von mehreren 100 bar, in hei- mischen Ursprungs in marinen Bioto- ßen vulkanischen Quellen bei über 100 pen, in seichtem Gefilde oder der Tief- °C, in kalten Regionen um den Ge- see, in den Lavaspalten, heißen Quel- frierpunkt, in Salzseen, ebenso in Um- len oder den so genannten „Black gebungen mit sehr niedrigem oder smoker“, wo Temperaturen bis zu 400 auch sehr hohem Säuregehalt, bei °C herrschen können, Sauerstoff gibt Smogalarm in Großstädten, oft unter es dort meist nicht. Ausschluss von Sauerstoff. Warum sollten ihre Enzyme dann solchen Be- Die Psychophilen – kälteliebende Mik- dingungen nicht auch standhalten? roorganismen – leben in polaren Regi- Überwiegend gehören diese Organis- onen, in den arktischen Meeren bei –2 men dem Reich der Orchideen an, bis 4 °C. dem vermutlich ältesten Bakterienstamm der Erde. Anfänglich hat man Alkaliphile leben in alkalischem sie nur gesucht und kultiviert, bis man Grundwasser, Salzseen oder Salzwüs- Mitte der 80er Jahre auf die Idee kam, ten bei einem pH-Wert bis zu neun, dass ihre Enzyme auch besondere oder bei hohen Salzkonzentrationen. Eigenschaften haben müssten, die Halophile Mikroorganismen - die Salz- man nutzen sollte. Die Anpassung an liebenden - leben bei drei bis zu 35 % ihre extremen Umweltbedingungen Salzgehalt, das ist der Salzgehalt des schuf bei Ihnen einen Zellaufbau und Meerwassers. Diese Bedingungen gibt einen Stoffwechsel, der sich stark von es in toten Fischen, Salzlaken oder den bisher bekannten, mesophilen Or- Salzseen. ganismen unterscheidet. Die Enzyme und Zellmembranen weisen Eigen- In heißen schwefelhaltigen Gebieten, schaften auf, die für die industrielle bei pH-Werten von 1 – 3.5 und Tempe- Anwendung durchaus Potentiale ber- raturen bis 85 °C leben extrem aci- gen. dophile Mikroorganismen, gleichzeitig sind sie damit auch therapeutisch. Barophil sind die Mirkoorganismen, die unter hohem Druck existieren, in Tiefen von 3000 – 10 000 m. In der Ausstellung wird gezeigt, wie Extremozyme zur Verbesserung von Jede dieser Gruppe hat einzigartige biochemische Eigenschaften, die für Einsätze in der biochemischen Industrie ausgenutzt werden können. Als wichtigste Gründe für ihren Einsatz sind ihre hohe Stabilität und das geringere Kontaminationsrisiko zu nennen. Das heißt in den großen Fermentern, in denen die Produktionsprozesse ablaufen, überleben tatsächlich nur diese Mikroorganismen, da ihnen die Temperaturen und Säuregrade nichts ausmachen. Wolleigenschaften genutzt werden. In den heißen Quellen der Azoreninsel Sao Miguel wurde beispielsweise ein Mikroorganismus gefunden, Thermoanaerobacter keratinophilus, der ein Enzym produziert, dass beim Wollveredlungsprozess eingesetzt werden kann. Er wächst optimal bei 70 °C und einem pH-Wert um sieben unter anaeroben Bedingungen. Diese Protease, also ein Protein spaltendes Enzym – Wollfasern bestehen aus dem Protein Keratin – kann die Wolle direkt am Schaf behandeln, Zahlreiche Produktionsprozesse der Lebensmittel- der Chemischen- und der Pharmazeutischen Industrie laufen energieaufwändig und bei hohem Druck und Temperaturen ab, oder sind auf den Einsatz ökologisch bedenkli- Wollfäden verlängern, die Anfärbbarkeit von Wolle erhöhen und die Filzneigung von Wolle auf umweltschonendem Wege verringern. Die Enzymzugabe ist in den alkalischen Vorwäscheschritt zur Wollfärbung integriert. cher Lösemittel angewiesen. Der Einsatz von Biokatalysatoren verspricht umweltfreundlichere Bedingungen und seit der Entdeckung der Eigenschaften der Extremozyme, wie die Enzyme der Mikroorganismen aus den extremen Lebensräumen heißen, ausreichende Stabilität und Aktivität in den industriellen Prozessen. Weitere Informationen: http://www.dbu.de/Ausstellung, E-mail: [email protected] Ausstellung „Faszination Biotechnologie“ Thema: Enzyme die Werkzeuge der Biotechnologie Informationen zur Biotechnologie: Ein Übersichtsartikel zum Integrierten Umweltschutz Den angegebenen Übersichtsartikel können wir Ihnen gerne auf Wunsch zusenden. Einfach eine Mail an [email protected] senden. • Der Einführungstext zum integrierten Umweltschutz stammt aus folgendem Buch: „Industrielle Nutzung von Biokatalysatoren Ein Beitrag zur Nachhaltigkeit – 15. Osnabrücker Umweltgespräche – “, Initiativen zum Umweltschutz 14, St. Heiden/A.-K. Bock/G. Antranikian (Hrsg.), DBU Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Erich Schmidt Verlag GmbH & Co., Berlin 1999, Seite 3-26 Ausstellung „Faszination Biotechnologie“ Thema: Enzyme die Werkzeuge der Biotechnologie Informationen zu Extremophilen Mikroorganismen: • „Putzkolonnen für verseuchte Halden“, Uschi Heidel, Spektrum der Wissenschaft, Heft 07/2002 • http://www.g-o.de Seiten von Wissen Online → Verschiedene Extremophile werden mitsamt ihrer extremen Lebensräume vorgestellt, wenn Sie Extremophile in die Suchfunktion auf dieser Seite eingeben. • http://www.3sat.de/nano/ → Im Suchverzeichnis bekommen Sie unter dem Stichwort Extremophile einen kurzen Übersichtsartikel zu den Extremophilen geliefert, Fremdwörter werden mit Hilfe eines Glossars erklärt - einige wichtige Begriffe aus diesem Glossar sind angehängt. • http://www.welt.de → Im Suchverzeichnis Extremophile eingeben: Es erscheinen Übersichtsartikel beispielsweise zu den Themen: Wie Extremophile die Biotechnologie revolutionieren, Wie Enzyme Milch bekömmlich machen, Bakterien im heißen Säurebad, Vulkan-Bakterien in Bitterfeld. Einige wichtige Begriffe aus dem Glossar von .http://www.3sat.de/nano/ finden Sie im Folgenden angehängt.
