07 / Bakterien

Bakterien und Forschung Lehrerinformation 1/11

Arbeitsauftrag Die Lehrperson verteilt die Texte und präsentiert die Theoriegrundlagen. Die Schüler studieren die Beispiele und nehmen Stellung oder diskutieren. Ziel

Zusammenhänge erkennen Varianten diskutieren Ideen begründen

Material Informationstext Arbeitsblätter Sozialform Einzelarbeit und Diskussionsgruppen Zeit 60‘ (mit Varianten)

Als erschwerte Aufgabe kann folgende Fragestellung mitgegeben werden: Bakterien auf und im Menschen  Im Mund eines Menschen leben insgesamt etwa 1010 Bakterien.

Zusätzliche Informationen:

 Auf der menschlichen Haut befinden sich bei durchschnittlicher Hygiene etwa hundertmal so viele Bakterien, nämlich insgesamt etwa eine Billion, allerdings sehr unterschiedlich verteilt: An den Armen sind es nur wenige tausend, in fettigeren Regionen wie der Stirn schon einige Millionen und in feuchten Regionen wie den Achseln mehrere Milliarden pro Quadratzentimeter. Dort ernähren sie sich von rund zehn Milliarden Hautschuppen, die täglich abgegeben werden, und von Mineralstoffen und Lipiden, die aus den Hautporen abgeschieden werden.  99 % aller im und am menschlichen Körper lebenden Mikroorganismen, nämlich mehr als 1014 mit mindestens 400 verschiedenen Arten, darunter vorwiegend Bakterien, leben im Verdauungstrakt, vor allem im Dickdarm und bilden die sog. Darmflora.  Ein Mensch besteht aus etwa 10 Billionen (1013)Zellen, auf und in ihm befinden sich somit etwa zehnmal so viele Bakterien. Finde Vergleiche für diese Zahlen!

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Bakterien und Forschung Informationstext 2/11

Was Bakterien alles leisten – Forschung Weil Bakterien eher als Krankheitserreger bekannt sind, haben sie einen schlechten Ruf. Dabei besiedeln sie praktisch jeden Punkt auf der Erdoberfläche und auch Pflanzen, Tiere und Menschen und schaffen dabei die notwendigen Bedingungen für den Fortbestand des Lebens.

So werden die meisten chemischen Reaktionen auf unserem Planeten natürlicherweise durch Mikroorganismen ausgelöst. Die Leistungen von Mikroorganismen prägen die Stoffkreisläufe in Seen und Ozeanen und ermöglichen das Leben von Pflanzen und Tieren. Selbst mehrere hundert Meter unter dem Meeresboden oder in heissen Tiefseequellen gibt es noch bakterielles Leben. Dieses riesige Forschungsfeld wird von verschiedenen Fachrichtungen der Mikrobiologie bearbeitet. Je mehr wir über Bakterien wissen, desto eher können wir sie in unseren Dienst stellen und von ihren vielfältigen Fähigkeiten profitieren. Eines ist sicher: Die Mikroorganismen verfügen über ein enormes Leistungspotenzial.

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Bakterien und Forschung Informationstext 3/11

Heute wird in folgenden Richtungen geforscht: 

Aquatische Mikrobiologie: Was leisten die verschiedenartigen Mikroorganismen in den Ozeanen und anderen Gewässern für die Stoffumsätze und Nahrungsketten?

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Biogeochemie/Geomikrobiologie: Hier werden die gewaltigen Auswirkungen der Mikroben auf die Gestaltung der Erdoberfläche und der globalen Stoffkreisläufe erforscht.

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Struktur und Funktion von Proteinen: Die Vielzahl der Proteine (Eiweissmoleküle) ermöglicht sämtliche chemischen Reaktionen, die für Leben und Leistungen der Organismen erforderlich sind.

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Gentransfer/Genomevolution: Wie tauschen Mikroorganismen Gene aus und welche Auswirkungen hat dies für die Entwicklung neuer Eigenschaften einschliesslich Pathogenität und Resistenz gegen Antibiotika?

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Industrielle Mikrobiologie: Welche praktischen Anwendungen sind mit Bakterien bei der Herstellung von Medikamenten, Nahrung, Kunststoff, Brennstoff möglich?

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Umweltmikrobiologie: Können Bakterien vermehrt zur Abfallentsorgung, bei Ölkatastrophen, für die Entsorgung radioaktiver Abfälle eingesetzt werden?

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Bakterien und Forschung Informationstext 4/11

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Bakterien und Forschung Arbeitsblatt 5/11

Aufgabe:

Diskussionsrunde • Welche Probleme können mit Bakterien gelöst werden? • Können Forschungen mit Bakterien gefährlich sein? • Welche Anwendungen von Bakterienforschung sind noch denkbar? • Gibt es moralische Grenzen der Bakterienforschung?

Beispiel 1:

Bakterien sollen Medikamente direkt im Darm herstellen Die schon von Natur aus nützlichen Bakterien im Darm könnten in Zukunft Medikamente gegen Entzündungen oder andere Darmerkrankungen direkt vor Ort auf Abruf produzieren.

Bakterien im Darm könnten in Zukunft Medikamente gegen Erkrankungen direkt vor Ort produzieren.

Bei Mäusen ist das bereits gelungen: Britische Forscher versorgten die Tiere mit gentechnisch veränderten Bakterien, die bei Anwesenheit eines bestimmten Zuckers ein Mittel gegen Darmentzündungen herstellen. Die Mäuse mussten also lediglich den Zucker fressen, um die Produktion des Medikaments anzukurbeln. Die Wirkung: Die Entzündung bildete sich zurück und die Darmschleimhaut erholte sich, ohne dass Nebenwirkungen aufgetreten wären. Die Forscher hoffen nun, ihre Therapie schnellstmöglich auf den Menschen übertragen zu können. Wirkstoffe in den Darm zu bekommen, ist schwierig, da viele Substanzen im Lauf des Verdauungsprozesses zersetzt oder so verändert werden, dass sie unwirksam werden. Schon länger gibt es daher die Idee, Arzneien von den Bewohnern des Darms, den Bakterien der Darmflora, direkt vor Ort produzieren zu lassen. In einigen Fällen gelang das sogar schon: Bereits im Jahr 2000 veränderten belgische Forscher das Darmbakterium Lactococcus lactis so, dass es bei Mäusen ein entzündungshemmendes Eiweiss im Darm produzierte. Bei weiteren Arbeiten veränderten die Forscher ihre Bakterien so, dass die Produktion von aussen ein- und ausgeschaltet werden konnte.

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Bakterien und Forschung Arbeitsblatt 6/11

Wechselwirkung mit anderen Bakterien befürchtet Ob oder wie schnell sich das Prinzip allerdings auf den Menschen übertragen lässt, ist völlig unklar. Einige Forscher schätzen laut „Nature“ die Chancen als sehr gut ein und halten die Übertragung für vergleichsweise einfach. Andere wie etwa der Spanier Francisco Guarner sind sehr viel vorsichtiger: Trotz des grossen Interesses, das bereits die erste Mäusestudie hervorgerufen habe, seien bisher kaum Fortschritte erzielt worden. Und selbst wenn die veränderten Bakterien an sich keine Gefahr für den Menschen darstellten, sei noch lange nicht gesagt, dass die Wechselwirkungen mit den vielen anderen Bakterienarten der Darmflora ebenso problemlos seien.

Aufgabe:

Beurteile diesen Forschungsaspekt und schreibe deine Gedanken dazu in einem kurzen Aufsatz nieder.

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Beispiel 2: Winzige Roboter, die im menschlichen Körper arbeiten könnten

Bakterien bewegen sich mit Hilfe von Geisseln fort. Die Methode könnte Vorbild für medizinische Nanoroboter in der Blutbahn sein.

Die Natur hat ein paar Millionen Jahre Erfahrung, die man nutzen kann. Nach dem Vorbild von Darmbakterien könnten winzige Maschinen gebaut werden, die auch im menschlichen Körper arbeiten können. Ein Bakterium mit seinen spiralförmigen Fäden, die durch wenige Nanometer kleine Rotationsmotoren angetrieben werden, ist ein Wunderwerk der Natur. Seine Fortbewegungsmechanismen zu verstehen, hilft beim Bau mikroskopisch kleiner Roboter, die man unter anderem auf eine Reise durch die Blutgefässe eines Körpers schicken könnte – eine Zukunftsvision, an der gearbeitet wird. Diese Mikromaschinen könnten gezielt Reparaturarbeiten in den Zellen und Gefässen vornehmen oder Medikamente genau dorthin transportieren, wo sie gebraucht werden. Auch für die Hygiene im Krankenhaus, zum Beispiel, um das Risiko der gefürchteten Infektionen durch Katheter und Prothesen zu reduzieren, können diese Erkenntnisse wertvoll sein. Über die Fortbewegungsmechanismen dieser mikroskopisch kleinen Schwimmer weiss man bereits, dass sich in der Zellwand ihrer Zellkörper die Rotationsmotoren befinden, die jeweils spiralförmige Filamente oder Geisseln antreiben. Diese vereinigen sich zu einem rotierenden Bündel und erzeugen damit den Vortrieb. Die Steuerung ist simpel: Der eine oder andere Faden schert aus dem Bündel aus, wenn sich die Drehrichtung seines Motors umdreht. Dadurch bringt es das ganze Bakterium ins Schlingern und provoziert schliesslich eine Richtungsänderung.

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Bakterien und Forschung Arbeitsblatt 8/11

In einem neuen Forschungsprojekt untersuchen Wissenschaftler nicht nur die Physik dieser Mechanismen, sondern sie wollen ein elastisches Modell von einer solchen Bakteriengeissel und deren Vortrieb durch den Rotationsmotor konstruieren. Mit computergestützten Simulationen, die auch die zähe wässrige Umgebung berücksichtigen, wird dabei zum Beispiel der Einfluss der Drehgeschwindigkeit und der Steifigkeit der Bakteriengeissel auf das Fortkommen der Bakterien untersucht. Diese Einflüsse haben in der Natur eine immense Bedeutung. Die Erkenntnisse sind auch für das sogenannte ,Lab on a chip‘ wichtig, ein Chemielabor, das auf einem einzigen Mikrochip Platz findet. In dem "Chiplabor" müssen kleinste Mengen von Flüssigkeiten transportiert und vermischt werden, um etwa eine DNS-Analyse durchzuführen. Die Lösungen der Natur werden so zum Vorbild für die Hochtechnologie.

Aufgabe:

Beurteile diesen Forschungsaspekt und schreibe deine Ideen für derartige „Werkzeuge“ und die daraus absehbaren Zukunftsperspektiven auf.

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Beispiel 3: Plastik der Zukunft. Alternativen in Entwicklung Was ist Bioplastik? Als Biokunststoff oder auch Bioplastik (engl. bioplastics) werden Kunststoffe bezeichnet, die auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden (biobasierte Kunststoffe). Diese Kunststoffe können aus verschiedenen Rohstoffen erzeugt werden: So können sie aus Maiskörnern oder Kartoffeln bestehen – diese enthalten Stärkepulver. Mit einem bestimmten Behandlungsverfahren vereinigen sich Stärkemoleküle zu langen Molekülketten. Das Ergebnis: eine zähe Masse, die zu Granulat zerkleinert wird. Anschliessend lassen sich daraus Kunststoffe mit verschiedenen Eigenschaften herstellen. Am weitesten fortgeschritten ist die Entwicklung bei Plastik aus Stärke (Mais, Kartoffel), aus Polymilchsäure (PLA) und Polyhydroxy-Buttersäure (PHB). Biokunststoffe kommen vor allem als Verpackungen und für Mulch- und Saatfolien zum Einsatz, aber auch Trinkbecher werden bereits aus nachwachsenden Rohstoffen gefertigt. Mittlerweile gibt es sogar Handys, deren Plastikhülle aus Maisstärke besteht Biologisch abbaubare Kunststoffe sind nicht gleich Biokunststoffe Biologisch abbaubare Kunststoffe können auch aus fossilen, also nicht erneuerbaren Rohstoffen (z.B. Erdöl) gewonnen werden und sind daher nicht mit Biokunststoff gleichzusetzen. Biologisch abbaubare Werkstoffe (BAW) bzw. Kunststoffe werden je nach Anwendungsgebiet und Intention unterschiedlich definiert. Im weitesten Sinne bezeichnet man alle Materialien als bioabbaubar, die durch Mikroorganismen oder Enzyme, beispielsweise im Boden, abgebaut werden. Plastik der Zukunft Biologisch abbaubare Kunststoffe aus erneuerbaren Rohstoffen gelten zunehmend als vielversprechende Alternative für die gängigen Kunststoffe aus Erdölprodukten. Der Anteil von Bioplastik liegt heute bei 0,2 Prozent. Der immer noch konkurrenzlos niedrige Preis für Grundstoffe aus Erdöl hemmt allerdings die Entwicklung neuer Verfahren und Produkte. Optimistische Rechnungen des Branchenverbandes gehen aber davon aus, dass bis zum Jahr 2030 der Anteil von Bioplastik auf 15 bis 20 Prozent gesteigert werden könnte. Catia Bastoli von der Firma Novamont, die biologisch abbaubare Kunststoffe produziert: „Wir haben die Wahl, Biomasse vernünftig zu verwenden oder sie im Übermass zu beanspruchen, sodass die ganze Welt daran Schaden nimmt. Denken Sie an Biodiesel oder Bioethanol. Wir können nicht alles Getreide zu Energie machen, denn damit verlagern wir nur das Problem. Auf dem Gebiet der kompostierbaren Kunststoffe stehen wir noch ganz am Beginn. Das totale Produktionsvolumen heute geht nicht über 200’000 Tonnen hinaus, von denen etwa 60’000 von uns erzeugt werden, wir halten

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Bakterien und Forschung Arbeitsblatt 10/11

also einen grossen Anteil. Aber das sind gerade mal 0,3 % im Vergleich zur traditionellen Plastikerzeugung.“ Bioplastik kann eine ungiftige, biologisch abbaubare Alternative zu herkömmlichen Kunststoffprodukten bedeuten. Doch unter anderem muss auch der intensive Anbau der Rohstoffe wie Weizen, Mais, Kartoffeln oder Zuckerrüben in der Ökobilanz von Bioplastik berücksichtigt werden (Gefahr von grossem Pestizideinsatz, Einsatz von Gentechnik in der Landwirtschaft, klimaschädliche Emissionen durch lange Transportwege). Biokunststoff ist nicht grundsätzlich eine nachhaltige Lösung für die Umwelt. Es kommt auf unser Konsumverhalten an. Besser ist es allemal, zum Beispiel eine Stofftasche zu verwenden statt eine Plastiktüte wegzuwerfen – auch wenn Bioplastik draufsteht. Bioplastik ist nicht gleich „gesundes Plastik“ Werner Boote hat im Zuge der Recherchen zu seinem Film „Plastic Planet“ sechs biologisch abbaubare Endprodukte testen lassen. Eines davon – ausgerechnet das beliebte Kinderspielzeug „Happy Mais“ enthielt 28 mg vom krebserregenden DINP (Weichmacher). Die anderen 5 Produkte wiesen keine heute bekannten Giftstoffe auf. Eine gute Alternative mit Hilfe riskanter Gentechnik? Die Biotechnologie, die Bakterien zu industriellen Zwecken einsetzt, ist erst am Anfang. Aus dem Material, das Milchsäurebakterien erzeugen, kann Bioplastik hergestellt werden. Mit Hilfe der Genforschung sollen sich die Eigenschaften der Bakterien einerseits genau bestimmen und andererseits optimieren lassen. In den USA sind Plastikartikel aus Bakterien bereits am Markt. Noch sind sie etwas teurer als herkömmliche Produkte. Bioplastik preiswert machen sollen DNA-Eingriffe, die für ein schnelleres Wachstum der Bakterien sorgen, um den Produktionsprozess zu beschleunigen. Umweltschutzorganisationen begrüssen die Entwicklung von Bioplastik aus erneuerbaren Rohstoffen, kritisieren aber den Einsatz von genetisch veränderten Organismen vehement. Denn die Auswirkungen der Gentechnik auf Mensch und Umwelt sind nicht ausreichend erforscht und stellen ein unvorhersagbares Risiko dar.

Aufgabe:

Aufgaben, Fragen, Diskussionen:  Welche Vorteile bieten Biokunststoffe?  Welche Problemfelder können sich durch die Produktion von Plastik aus nachwachsenden Rohstoffen ergeben?  Warum kritisieren Umweltschutzorganisationen wie Greenpeace oder GLOBAL 2000 den Einsatz von Gentechnik?

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Bakterien und Forschung Arbeitsblatt 11/11

Beispiel 4: Bakterien gegen Ölpest Eine neue Wunderwaffe für die Bekämpfung der Ölpest nach Tankerunglücken wurde entdeckt: Das Bakterium Alcanivorax borkumensis hat das ökosystemschädigende Erdöl zum Fressen gern. Öltankerunglücke sind eine regelrechte Katastrophe für das Ökosystem im Meer und an den Küsten. Das ausgelaufene Öl verbreitet sich zu einem riesigen schwimmenden Ölteppich. Tiere können durch den Ölfilm ersticken oder ertrinken und die toxischen Stoffe im Erdöl schädigen das Ökosystem über Jahre hinweg schwer. Biotechnologen haben nun erstmals das Genom einer ölabbauenden Bakterienart entschlüsselt. Sie hoffen, dass durch die neu gewonnenen Erkenntnisse ölverseuchte Gewässer umweltfreundlicher und effektiver gereinigt werden können. Das Bakterium Alcanivorax borkumensis Entdeckt wurde das Bakterium auf der ostfriesischen Insel Borkum, jedoch kommt das Bakterium auch weltweit vor. In sauberem Gewässer ist es kaum zu finden, doch in ölverschmutzten Gebieten macht es bis zu 90% der gesamten Bakterienpopulation aus. Das Interessante an diesem Bakterium ist, dass es verschiedene Kohlenwasserstoffe abbauen kann. Es verwertet kurzkettige Kohlenwasserstoffe mit fünf Kohlenstoffen, aber auchlangkettige Kohlenwasserstoffe mit bis zu 32 Kohlenstoffen und kann daher Erdöl abbauen. Einsatz in ölverschmutzten Gewässern Nach Schätzungen gelangen jährlich 1,3 Millionen Tonnen Erdöl in die Meere. Durch die Aufklärung der Sequenz der Erbinformation dieses Bakteriums – der Genomsequenz – entdeckten die Forscher ein ganzes Arsenal an ölabbauenden Enzymen. Das kleine Bakterium besitzt ganze drei verschiedene Mechanismen für den Abbau von Kohlenwasserstoffen. Die diversen Kohlenwasserstoffe werden zu Zucker und Fetten abgebaut. Aufgrund der gefundenen Daten gilt Alcanivorax borkumensis als eines der besten Bakterien für den Abbau von Erdöl. Man hofft nun, dass das Bakterium selbst oder dessen Enzyme gezielt für die Reinigung der ölverschmutzten Gewässer eingesetzt werden kann.

Aufgabe:

Diskutiert in Zweiergruppen, was ihr von diesem Vorschlag haltet! Was ist positiv, was kritisch daran?