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Unterricht: Gentechnik – CRISPR/Cas+Co.


Themen
• Genom
• Genschere
• Forschung
• DNA

Fächer
• Biologie

Klassenstufen
• ab Klasse 10

  • Nadel sticht durch Zellwand in Zellkern. (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung) Mit neuen Methoden kann die Wissenschaft heute das Erbgut verändern (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung)
  • Schema eines DNA-Abschnitts mit beschrifteten Basen. (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung) Die Abfolge der vier Basen legt den genetischen Code eines Lebewesens fest (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung)
  • Grafik: Genschere. (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung) Durch die Anwendung der Genschere CRISPR/Cas kann ein Teil der DNA entfernt oder ersetzt werden (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung)

Bezug zu den Bildungsplänen

Mit biotechnologischen Werkzeugen das Genom eines Lebewesens verändern – die Gentechnik ist eine Teildisziplin der Biotechnologie, die erfolgreich praktiziert und stetig verfeinert wird. Sie bedingt spezielle Werkzeuge und Tools, sodass das gezielte Verändern der genetischen Information eines Organismus möglich wird. Die daraus entstandenen gentechnisch veränderten Organismen weisen entweder neue Eigenschaften auf, wenn ein gewünschtes Gen in das Genom eingebracht wurde, oder verlieren eine unerwünschte Eigenschaft durch gezieltes Deaktivieren oder Ausschneiden des entsprechenden Genabschnittes.

Durch das Siegel „Ohne Gentechnik“, das mehr und mehr auf Lebensmittelverpackungen zu finden ist, kommen unsere Schüler*innen in ihrem Alltag mit der Thematik in Kontakt. In den Medien sind ständig neue Erkenntnisse aus der Gentechnik präsent. Um den Einsatz der gentechnischen Werkzeuge bewerten zu können, sind laut Bildungsplan biologische Kenntnisse und die molekularen Hintergründe Voraussetzung für eine fundierte Entscheidungsfindung. Die Schüler*innen sollen die Tragweite naturwissenschaftlicher Erkenntnisse und Entwicklungen dahingehend erfahren, dass durch technologische Verfahren gezielte Manipulationen von biologischen Strukturen und Prozessen möglich sind.

Die Anwendung der Gentechnik lässt einerseits immense Chancen zu, zeigt aber auch Grenzen und Risiken auf. In diesem Spannungsfeld erarbeiten sich die Schüler*innen mithilfe des Filmes „Gentechnik - CRISPRCas + Co.“ Kompetenzen, mit denen sie biowissenschaftliche Aussagen und Methoden beurteilen und Entscheidungen im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung treffen können.

Die Genschere CRISPR/Cas9 hat die Gentechnik in den letzten Jahren so stark revolutioniert wie kein anderes Werkzeug. Der Entdeckung des Schneideenzyms in Bakterien sowie der herausragenden technischen Entwicklung dieses Systems verdanken wir einen hochspezifischen Mechanismus, mit dem DNA einfacher und präziser geschnitten werden kann als je zuvor. Der aktuelle Forschungsstand in Bezug auf den Nutzen der Genschere bei der Heilung von Erbkrankheiten weckt Hoffnungen und zeigt das große Potenzial dieses Tools.
Der Film verdeutlicht dies durch den Einsatz der Genschere in der Landwirtschaft und damit im Rahmen der grünen Gentechnik. Die grüne Gentechnik ermöglicht neue (Pflanzen-) Eigenschaften, die durch die klassische Züchtung nur schwer zu erreichen wären. Höhere Erträge und das Einsetzen von Resistenzgenen sind nur zwei Ziele, die durch Gentechnik gegenüber der herkömmlichen Landwirtschaft sehr viel schneller erreicht werden können. Gleichzeitig ist die Gefahr der Wunderwaffe CRISPR/Cas9 nicht zu unterschätzen, wenn diese nicht reflektiert zum Einsatz kommt: nicht vorhersagbare Folgen für sensible Ökosysteme und gesellschaftliche Herausforderungen, deren Reichweite wir bisher nur erahnen können.

  • Pflanzenzucht in einer Halle. (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung) Grüne Gentechnik: Mithilfe der Genschere werden Pflanzen mit verbesserten Eigenschaften gezüchtet (Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung)

Einsatz im Unterricht

Laut Bildungsplan 2016 für Baden-Württemberg ist der Themenbereich „Gentechnik“ im Biologieunterricht der Oberstufe (Klasse 11/12) anzusiedeln. Die Schüler*innen begegnen hier biologischen Phänomenen auf Molekülebene und erlangen ein möglichst tiefes Verständnis der Werkzeuge und Methoden der Molekularbiologie. Verschiedene Verfahren zur Herstellung transgener Organismen sollen beschrieben und die Chancen und Risiken der Gentechnik in verschiedenen Anwendungsbereichen bewertet werden. Im Rahmen der angewandten Biologie zeigt der Film das modernste Verfahren zur Manipulation von Genen und erweitert die klassischen gentechnischen Verfahren wie Isolierung und Transfer von Genen mittels Restriktionsenzymen und Plasmiden mit neuen Erkenntnissen aus der aktuellen Forschung.
Gleichwohl kann der Film im Themenfeld „Genetik“ und „Ökologie“ schon in Klasse 10 eingesetzt werden, um den Einsatz der Gentechnik mit Schwerpunkt auf Wechsel und Auswirkungen auf ökologischer Ebene zu legen.

Das folgende Unterrichtsmaterial ist für Klasse 10 und tiefergehend für Klasse 11/12 konzipiert.
Zusätzliche Arbeitsblätter für die Sekundarstufe I an Realschulen: Arbeitsblätter 8-10.

Unterrichtsverlauf

Der Film „Gentechnik – CRISPR/Cas + Co.“ eignet sich am besten für eine Doppelstunde oder zwei aufeinanderfolgende Stunden. Die Arbeitsblätter können variabel eingesetzt werden, je nachdem, welcher Schwerpunkt in der Stunde gesetzt werden soll. Ein möglicher Schwerpunkt könnte das Prinzip von CRISPR/Cas sein, was mit Arbeitsblatt 1 erarbeitet werden kann. Im Rahmen eines Storyboards sollen die Schüler*innen Live-Kommentare zu vorgegebenen Filmszenen verschriftlichen. Die selbst erstellten Kommentare können anschließend von den Schüler*innen parallel zum stummgestellten Film vorgetragen werden. Als Differenzierungsstufe 1 ist keine weitere Hilfestellung gegeben. Differenzierungsstufe 2 beinhaltet vorgegebene Fachbegriffe und Differenzierungsstufe 3 vorgegebene Kommentare, die zugeordnet werden sollen. Soll der Schwerpunkt auf die natürliche Funktionsweise der CRISPR/Cas-Schere in Bakterien gelegt werden, so kann Arbeitsblatt 2 verwendet werden. Die Schüler*innen können sich hier anhand eines Textes und passender Abbildungen die Funktionsweise erarbeiten und üben, die wesentlichen Schritte in Form eines Flussdiagrammes darzustellen. Auch hier sind Differenzierungsstufen (Vorgabe des Flussdiagramms oder der Textbausteine) möglich.

(Quelle: Colourbox.com, Kubko)

(Quelle: Colourbox.com, Kubko)


Exkurs: Darstellungstechnik Flussdiagramm Ein Flussdiagramm eignet sich zur chronologischen und übersichtlichen Darstellung eines Vorgangs oder eines Prozesses. Die dafür notwendigen Inhalte können entweder aus einer Grafik oder einem Text entnommen werden. Darin enthaltene Zusammenhänge sollen optisch als Kettenabfolge erkennbar werden. Hierbei sind ein gutes Textverständnis und das Extrahieren notwendiger Informationen wichtig. Flussdiagramme eignen sich zur Ergebnissicherung und werden nicht selten in Abituraufgaben von den Schüler*innen gefordert. Das Einüben dieser Technik macht also vor allem in der Oberstufe Sinn und kann schon in den vorangehenden Jahrgangsstufen vorbereitet und erlernt werden.

  • Grafische Darstellung einer DNA-Sequenz auf dem Bildschirm. (Quelle: Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung) Eine DNA-Sequenz wird für den Einsatz der Genschere markiert (Quelle: Quelle: SWR – Screenshot aus der Sendung)

Setzt man den Schwerpunkt auf den konkreten Einsatz der Genschere in der Landwirtschaft, so dient das Arbeitsblatt 3 der Erarbeitung. Arbeitsblatt 4 nimmt die grüne Gentechnik im Allgemeinen in den Fokus. Arbeitsblatt 5 dient zur kontroversen Auseinandersetzung mit den Milliardengeschäften von Großkonzernen wie Bayer/Monsanto in Bezug auf den Einsatz von Glyphosat. Zitate und Aussagen von Wissenschaftlern und berühmten Persönlichkeiten zum Einsatz der CRISPR/Cas-Schere zeigen Möglichkeiten und Grenzen auf und lassen Raum für facettenreiche Diskurse. Soll der Schwerpunkt der Stunde auf den Anwendungen der Genschere in der Grundlagenforschung liegen, so kann Arbeitsblatt 7 herangezogen werden.

Überblick zu den Arbeitsblättern für die Sek. II:

Arbeitsblatt Thema/Schwerpunkt
1 Das Prinzip von CRISPR/Cas als Storyboard (mit Differenzierungsmöglichkeiten)
2 Das CRISPR/Cas-System in der Natur (mit Differenzierungsmöglichkeiten)
3 Revolution in der Landwirtschaft
4 Grüne Gentechnik
5 Das Milliardengeschäft der Großkonzerne
6 Aussagen zur CRISPR/Cas-Genschere
7 Die CRISPR/Cas-Genschere in der Grundlagenforschung

Weitere Arbeitsblätter für die Sek. I:

Arbeitsblatt Thema/Schwerpunkt
8 Die Genschere CRISPR/Cas – Funktion
9 Die Genschere CRISPR/Cas – Befürworter und Kritiker
10 Klassische Gentechnik und Genschere