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.

7

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: Ausstellung@dbu.de

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@dbu.de

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 Ausstellung@dbu.de 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

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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.