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
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Zum Inhalt der Führung:
Mit dem Thema „Enzyme, die Werkzeuge der Biotechnologie“ haben Sie sich ein in-
teressantes Thema zur Ergänzung Ihres Unterrichtsstoffes ausgesucht. Denn in der
Ausstellung „Faszination Biotechnologie“ geht es nicht einfach nur um Enzyme, son-
dern um die Extremozyme, das sind Enzyme von Mikroorganismen aus extremen
Lebensräumen. Diese nehmen in modernen Produktionsprozessen eine immer grö-
ßere 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 se-
hen, wie Enzyme helfen unser kulturelles Erbe zu schützen. Sie werden sich mit Ih-
ren 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 An-
frage 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 fol-
genden Tipps und Anregungen sind teilweise fächerübergreifend für die Fächer Bio-
logie, Chemie, Biochemie und Deutsch angelegt.
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Tipps für die Vor- oder Nachbereitung des Ausstellungsbesuchs: Rechercheübung zu den extremophilen Mikroorganismen. Wenn in eine Such-
maschine wie google „Extremophile“ eingegeben wird, bekommt man ziemlich viele
Quellen zu den Extremophilen. Auf der Seite der Technischen Universität Hamburg-
Harburg war im Archiv ein Übersichtsartikel zu den Extremophilen zu finden. Wei-
testgehend wird das dort Geschriebene in der Führung angesprochen. Zur Nachbe-
reitung 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 (Einga-be Extremophile in die Suchfunktion) finden sich richtige Karrierebeschreibun-gen einiger Organismen. Viele der Schüler werden sich sehr gut mit extremen Sportarten auskennen. Wie wäre es mit einem Gespräch über andersartige Extreme, nämlich die Wissen-
schaftler, die extreme Bedingungen ausgestanden haben, um die Extremophilen auf-
zuspüren. Denn die extremen Lebenskünstler aufzuspüren bedarf oft auch extremer
Methoden. Ein relativ aktuelles Beispiel liefert der ehemalige Präsident der TU-
Hamburg-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 Erleb-
nis, 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.
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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. Hei-
den/A.-K. Bock/G. Antranikian (Hrsg.), DBU Deutsche Bundesstiftung Umwelt, E-
rich Schmidt Verlag GmbH & Co., Berlin 1999, Seite 3-26
• „Biokatalyse“, St. Heiden und Rainer Erb (Hrsg.), Sonderausgabe der DBU in Ko-
operation 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
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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 Woran liegt es, dass ein Stück Brot,
wenn wir es länger kauen, süß
schmeckt? Des Rätsels Lösung liegt
im Zahnbelag (falsch, im Speichel), er
enthält ein Protein, das die Stärke, die
im Brot enthalten ist, in das Disaccha-
rid Maltose, einen Zucker, spaltet. Das
Protein beschleunigt die an sich un-
glaublich langsam ablaufende Stärke-
spaltung. Es wirkt als Katalysator, d. h.
als Beschleuniger. Proteine, die solch
eine katalytische Wirkung haben,
nennt man Enzyme, oder Biokatalysa-
toren. Das von ihnen umgesetzte Mo-
lekül ist ihr Substrat. Während Enzyme
ihr Substrat in das Produkt der Reakti-
on umwandeln, verdoppeln die Enzy-
me ihre eigene Größe (falsch, Enzyme
gehen unverändert aus den Reaktio-
nen hervor). 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 Biotechno-
logie. 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. En-
zyme bieten
im Gegensatz zu den herkömmlichen
Verfahren oft elegantere Lösungen an.
Häufig sind diese aus ökonomischer
und ökologischer Sicht auch noch vor-
teilhafter.
Viele Produkte können mit Hilfe von
Enzymen hergestellt werden, ob nun
Feinchemikalien, pharmakologische
Wirkstoffe, Tequila (nein, Textilien) und
Aminosäuren.
Enzyme arbeiten unter bestimmten
Bedingungen optimal, das sind bei-
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spielweise Temperaturen um die 10 °C
(40 °C). In modernen Produktionskes-
seln können Temperaturen um die 80
– 90 °C herrschen. Könnte denn dort
eines der uns bekannten Enzyme ü-
berleben?
Ja, denn es gibt so genannte Al-
leskönner-Mikroorganismen (falsch,
Extremophile Mikroorganismen). Wo
kein anderer Organismus existieren
kann, da leben und arbeiten sie. Bei-
spielsweise in der Tiefsee, bei Drücken
von mehreren 100 bar, in heißen vul-
kanischen Quellen bei über 100 °C, in
kalten Regionen um den Gefrierpunkt,
in Salzseen, ebenso in Umgebungen
mit sehr niedrigem oder auch sehr ho-
hem Säuregehalt, bei Smogalarm in
Großstädten (falsch, ergänzt), oft unter
Ausschluss von Sauerstoff. Warum
sollten ihre Enzyme dann solchen Be-
dingungen nicht auch standhalten?
Überwiegend gehören diese Organis-
men dem Reich der Orchideen (nein,
Archaeen) an, dem vermutlich ältesten
Bakterienstamm der Erde. Anfänglich
hat man sie nur gesucht und kultiviert,
bis man Mitte der 80er Jahre auf die
Idee kam, dass ihre Enzyme auch be-
sondere Eigenschaften haben müss-
ten, die man nutzen sollte. Die Anpas-
sung an ihre extremen Umweltbedin-
gungen schuf bei Ihnen einen Zellauf-
bau und einen Stoffwechsel, der sich
stark von den bisher bekannten, me-
sophilen Organismen unterscheidet.
Die Enzyme und Zellmembranen wei-
sen Eigenschaften auf, die für die in-
dustrielle Anwendung durchaus Poten-
tiale bergen.
So genannte Thermophile – wärmelie-
bende – leben in Umfeldern geother-
mischen Ursprungs in marinen Bioto-
pen, in seichtem Gefilde oder der Tief-
see, in den Lavaspalten, heißen Quel-
len oder den so genannten „Black
smoker“, wo Temperaturen bis zu 400
°C herrschen können, Sauerstoff gibt
es dort meist nicht.
Die Psychophilen (sie heißen Psych-
rophile) Mikroorganismen - kältelie-
bende - leben in polaren Regionen, in
den arktischen Meeren bei –2 bis 4 °C.
Alkaliphile leben in alkalischem
Grundwasser, Salzseen oder Salzwüs-
ten bei einem pH-Wert bis zu neun,
oder bei hohen Salzkonzentrationen.
Halophile Mikroorganismen - die Salz-
liebenden - leben bei drei - das ist der
Salzgehalt des Meerwassers - bis zu
35 % Salzgehalt. Diese Bedingungen
gibt es in toten Fischen (nein, toten
Seen) , Salzlaken oder Salzseen.
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In heißen schwefelhaltigen Gebieten,
bei pH-Werten von 1 – 3.5 und Tempe-
raturen bis 85 °C leben extrem aci-
dophile, gleichzeitig sind sie damit
auch therapeutisch (falsch, ther-
mophil). Barophil sind die Mirkoorga-
nismen, die unter hohem Druck existie-
ren, in Tiefen von 3000 – 10 000 m.
Jede dieser Gruppe hat einzigartige
biochemische Eigenschaften, die für
Einsätze in der biochemischen Indust-
rie ausgenutzt werden können. Als
wichtigste Gründe für ihren Einsatz
sind ihre hohe Stabilität und das gerin-
gere Kontaminationsrisiko zu nennen.
Das heißt in den großen Fermentern,
in denen die Produktionsprozesse ab-
laufen, überleben tatsächlich nur diese
Mikroorganismen, da ihnen die Tem-
peraturen und Säuregrade nichts aus-
machen.
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-
cher Lösemittel angewiesen. Der Ein-
satz 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 indus-
triellen Prozessen.
In der Ausstellung wird gezeigt, wie
Extremozyme zur Verbesserung von
Wolleigenschaften genutzt werden. In
den heißen Quellen der Azoreninsel
São Miguel wurde beispielsweise ein
Mikroorganismus gefunden, Thermoa-
naerobacter keratinophilus, der ein
Enzym produziert, das beim Wollver-
edlungsprozess eingesetzt werden
kann. Er wächst optimal bei 70 °C und
einem pH-Wert um sieben unter anae-
roben Bedingungen.
Diese Protease, also ein Protein spal-
tendes Enzym – Wollfasern bestehen
aus dem Protein Keratin – kann die
Wolle direkt am Schaf behandeln, -
Wollfäden verlängern (zweimal er-
gänzt, falsch), die Anfärbbarkeit von
Wolle erhöhen und die Filzneigung von
Wolle auf umweltschonendem Wege
verringern. Die Enzymzugabe ist in
den alkalischen Vorwäscheschritt zur
Wollfärbung integriert.
Weitere Informationen:
http://www.dbu.de/ausstellungen,
E-mail: [email protected]
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 beschleu-
nigt die an sich unglaublich langsam
ablaufende Stärkespaltung. Es wirkt
als Katalysator, d. h. als Beschleuni-
ger. Proteine, die solch eine katalyti-
sche Wirkung haben, nennt man En-
zyme, oder Biokatalysatoren. Das von
ihnen umgesetzte Molekül ist ihr Sub-
strat. Während Enzyme ihr Substrat in
das Produkt der Reaktion umwandeln,
verdoppeln die Enzyme ihre Größe.
Sie sind Reaktions- und auch Sub-
stratspezifisch, 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 klassi-
schen, chemisch-physikalischen Wege
können so durch den Einsatz eines
biotechnologischen Verfahrens opti-
miert oder gar ersetzt werden. Enzyme
bieten im Gegensatz zu den herkömm-
lichen Verfahren oft elegantere Lösun-
gen an. Häufig sind diese aus ökono-
mischer 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 bei-
spielweise Temperaturen um die 10
°C. Könnte denn eines der uns be-
kannten Enzyme in modernen Produk-
tionskesseln überleben?
Dort können Temperaturen um die 80
– 90 °C herrschen. Ja, denn es gibt so
genannte Alleskönner- Mikroorganis-
men. Wo kein anderer Organismus
existieren kann, da leben und arbeiten
sie. Beispielsweise in der Tiefsee, bei
Drücken von mehreren 100 bar, in hei-
ßen vulkanischen Quellen bei über 100
°C, in kalten Regionen um den Ge-
frierpunkt, in Salzseen, ebenso in Um-
gebungen mit sehr niedrigem oder
auch sehr hohem Säuregehalt, bei
Smogalarm in Großstädten, oft unter
Ausschluss von Sauerstoff. Warum
sollten ihre Enzyme dann solchen Be-
dingungen nicht auch standhalten?
Überwiegend gehören diese Organis-
men dem Reich der Orchideen an,
dem vermutlich ältesten Bakterien-
stamm der Erde. Anfänglich hat man
sie nur gesucht und kultiviert, bis man
Mitte der 80er Jahre auf die Idee kam,
dass ihre Enzyme auch besondere
Eigenschaften haben müssten, die
man nutzen sollte. Die Anpassung an
ihre extremen Umweltbedingungen
schuf bei Ihnen einen Zellaufbau und
einen Stoffwechsel, der sich stark von
den bisher bekannten, mesophilen Or-
ganismen unterscheidet. Die Enzyme
und Zellmembranen weisen Eigen-
schaften auf, die für die industrielle
Anwendung durchaus Potentiale ber-
gen.
So genannte Thermophile – wärmelie-
bende – leben in Umfeldern geother-
mischen Ursprungs in marinen Bioto-
pen, in seichtem Gefilde oder der Tief-
see, in den Lavaspalten, heißen Quel-
len oder den so genannten „Black
smoker“, wo Temperaturen bis zu 400
°C herrschen können, Sauerstoff gibt
es dort meist nicht.
Die Psychophilen – kälteliebende Mik-
roorganismen – leben in polaren Regi-
onen, in den arktischen Meeren bei –2
bis 4 °C.
Alkaliphile leben in alkalischem
Grundwasser, Salzseen oder Salzwüs-
ten bei einem pH-Wert bis zu neun,
oder bei hohen Salzkonzentrationen.
Halophile Mikroorganismen - die Salz-
liebenden - leben bei drei bis zu 35 %
Salzgehalt, das ist der Salzgehalt des
Meerwassers. Diese Bedingungen gibt
es in toten Fischen, Salzlaken oder
Salzseen.
In heißen schwefelhaltigen Gebieten,
bei pH-Werten von 1 – 3.5 und Tempe-
raturen bis 85 °C leben extrem aci-
dophile Mikroorganismen, gleichzeitig
sind sie damit auch therapeutisch. Ba-
rophil sind die Mirkoorganismen, die
unter hohem Druck existieren, in Tie-
fen von 3000 – 10 000 m.
Jede dieser Gruppe hat einzigartige
biochemische Eigenschaften, die für
Einsätze in der biochemischen Indust-
rie ausgenutzt werden können. Als
wichtigste Gründe für ihren Einsatz
sind ihre hohe Stabilität und das gerin-
gere Kontaminationsrisiko zu nennen.
Das heißt in den großen Fermentern,
in denen die Produktionsprozesse ab-
laufen, überleben tatsächlich nur diese
Mikroorganismen, da ihnen die Tempe-
raturen und Säuregrade nichts ausma-
chen.
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-
cher Lösemittel angewiesen. Der Ein-
satz 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 indus-
triellen Prozessen.
In der Ausstellung wird gezeigt, wie
Extremozyme zur Verbesserung von
Wolleigenschaften genutzt werden. In
den heißen Quellen der Azoreninsel
Sao Miguel wurde beispielsweise ein
Mikroorganismus gefunden, Thermoa-
naerobacter keratinophilus, der ein
Enzym produziert, dass beim Wollver-
edlungsprozess eingesetzt werden
kann. Er wächst optimal bei 70 °C und
einem pH-Wert um sieben unter anae-
roben Bedingungen.
Diese Protease, also ein Protein spal-
tendes Enzym – Wollfasern bestehen
aus dem Protein Keratin – kann die
Wolle direkt am Schaf behandeln,
Wollfäden verlängern, die Anfärbbar-
keit von Wolle erhöhen und die Filz-
neigung von Wolle auf umweltscho-
nendem Wege verringern. Die Enzym-
zugabe ist in den alkalischen Vorwä-
scheschritt zur Wollfärbung integriert.
Weitere Informationen:
http://www.dbu.de/Ausstellung, E-mail:
Ausstellung „Faszination Biotechnologie“
Thema: Enzyme die Werkzeuge der Biotechno-logie
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. Hei-
den/A.-K. Bock/G. Antranikian (Hrsg.), DBU Deutsche Bundesstiftung Umwelt, E-
rich Schmidt Verlag GmbH & Co., Berlin 1999, Seite 3-26
Ausstellung „Faszination Biotechnologie“
Thema: Enzyme die Werkzeuge der Biotechno-
logie 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 wer-
den 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 ge-
liefert, Fremdwörter werden mit Hilfe eines Glossars erklärt - einige wichtige Beg-
riffe aus diesem Glossar sind angehängt.
• http://www.welt.de → Im Suchverzeichnis Extremophile eingeben: Es erscheinen
Übersichtsartikel beispielsweise zu den Themen: Wie Extremophile die Biotech-
nologie 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.