Ausstellung Faszination Biotechnologie. Enzyme, die Werkzeuge der Biotechnologie

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1 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/ ) Verantwortlich für die Ausstellung ist Ulrike Peters

2 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

3 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 Hamburg- Harburg 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 (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 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 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

4 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, E- rich 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, 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,

5 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 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 eigene Größe (falsch, Enzyme gehen unverändert aus den Reaktionen 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 Biotechnologie. 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 (nein, Textilien) und Aminosäuren. Enzyme arbeiten unter bestimmten Bedingungen optimal, das sind bei- 5

6 spielweise Temperaturen um die 10 C (40 C). In modernen Produktionskesseln können Temperaturen um die C herrschen. Könnte denn dort eines der uns bekannten Enzyme ü- berleben? Ja, denn es gibt so genannte Alleskönner-Mikroorganismen (falsch, Extremophile Mikroorganismen). Wo kein anderer Organismus existieren kann, da leben und arbeiten sie. Beispielsweise in der Tiefsee, bei Drücken von mehreren 100 bar, in heißen vulkanischen Quellen bei über 100 C, in kalten Regionen um den Gefrierpunkt, in Salzseen, ebenso in Umgebungen mit sehr niedrigem oder auch sehr hohem Säuregehalt, bei Smogalarm in Großstädten (falsch, ergänzt), oft unter Ausschluss von Sauerstoff. Warum sollten ihre Enzyme dann solchen Bedingungen nicht auch standhalten? Überwiegend gehören diese Organismen 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 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 Organismen unterscheidet. Die Enzyme und Zellmembranen weisen Eigenschaften auf, die für die industrielle Anwendung durchaus Potentiale bergen. So genannte Thermophile wärmeliebende leben in Umfeldern geothermischen Ursprungs in marinen Biotopen, in seichtem Gefilde oder der Tiefsee, in den Lavaspalten, heißen Quellen oder den so genannten Black smoker, wo Temperaturen bis zu 400 C herrschen können, Sauerstoff gibt es dort meist nicht. Die Psychophilen (sie heißen Psychrophile) Mikroorganismen - kälteliebende - leben in polaren Regionen, in den arktischen Meeren bei 2 bis 4 C. Alkaliphile leben in alkalischem Grundwasser, Salzseen oder Salzwüsten bei einem ph-wert bis zu neun, oder bei hohen Salzkonzentrationen. Halophile Mikroorganismen - die Salzliebenden - 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. 6

7 In heißen schwefelhaltigen Gebieten, bei ph-werten von und Temperaturen bis 85 C leben extrem acidophile, gleichzeitig sind sie damit auch therapeutisch (falsch, thermophil). Barophil sind die Mirkoorganismen, die unter hohem Druck existieren, in Tiefen von m. 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. 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 bedenklicher 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. 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, Thermoanaerobacter keratinophilus, der ein Enzym produziert, das 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, - Wollfäden verlängern (zweimal ergänzt, 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: Ausstellung@dbu.de 7

8 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 C herrschen. Ja, denn es gibt so genannte Alleskönner- Mikroorganismen. Wo kein anderer Organismus

9 existieren kann, da leben und arbeiten sie. Beispielsweise in der Tiefsee, bei Drücken von mehreren 100 bar, in heißen vulkanischen Quellen bei über 100 C, in kalten Regionen um den Gefrierpunkt, in Salzseen, ebenso in Umgebungen mit sehr niedrigem oder auch sehr hohem Säuregehalt, bei Smogalarm in Großstädten, oft unter Ausschluss von Sauerstoff. Warum sollten ihre Enzyme dann solchen Bedingungen nicht auch standhalten? Überwiegend gehören diese Organismen dem Reich der Orchideen 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 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 Organismen unterscheidet. Die Enzyme und Zellmembranen weisen Eigenschaften auf, die für die industrielle Anwendung durchaus Potentiale bergen. So genannte Thermophile wärmeliebende leben in Umfeldern geothermischen Ursprungs in marinen Biotopen, in seichtem Gefilde oder der Tiefsee, in den Lavaspalten, heißen Quellen oder den so genannten Black smoker, wo Temperaturen bis zu 400 C herrschen können, Sauerstoff gibt es dort meist nicht. Die Psychophilen kälteliebende Mikroorganismen leben in polaren Regionen, in den arktischen Meeren bei 2 bis 4 C. Alkaliphile leben in alkalischem Grundwasser, Salzseen oder Salzwüsten bei einem ph-wert bis zu neun, oder bei hohen Salzkonzentrationen. Halophile Mikroorganismen - die Salzliebenden - 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 und Temperaturen bis 85 C leben extrem acidophile Mikroorganismen, gleichzeitig sind sie damit auch therapeutisch. Barophil sind die Mirkoorganismen, die

10 unter hohem Druck existieren, in Tiefen von m. 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. 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 bedenklicher 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. 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, 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, 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. Weitere Informationen: Ausstellung@dbu.de

11 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 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, E- rich Schmidt Verlag GmbH & Co., Berlin 1999, Seite 3-26

12 Ausstellung Faszination Biotechnologie Thema: Enzyme die Werkzeuge der Biotechnologie Informationen zu Extremophilen Mikroorganismen: Putzkolonnen für verseuchte Halden, Uschi Heidel, Spektrum der Wissenschaft, Heft 07/ Seiten von Wissen Online Verschiedene Extremophile werden mitsamt ihrer extremen Lebensräume vorgestellt, wenn Sie Extremophile in die Suchfunktion auf dieser Seite eingeben. 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. 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.

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16 Einige wichtige Begriffe aus dem Glossar von. finden Sie im Folgenden angehängt.

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