Emmanuel Claude
Du bist Lehrkraft und behandelst gerade das Thema DNA in deinem Unterricht? Dann fordere deine Schüler mit dieser Take Off Challenge heraus.
Worum geht es in dieser Challenge?
In dieser Challenge erhielten die Kandidaten zwei großformatige 3D-Modelle derselben DNA-Sequenz: eines aus einer gesunden Zelle, eines aus einer Tumorzelle. Ihre Aufgabe bestand darin, die beiden Modelle systematisch zu vergleichen, Unterschiede in der farblich markierten Basenabfolge (A, T, G, C – siehe Erklärung weiter unten) zu identifizieren und anschließend die entscheidende(n) (signifikante(n)) Mutation(en) korrekt zu benennen. Sprich, sie mussten bestimmen, welche dieser Veränderungen tatsächlich eine Auswirkung auf die entstehende Aminosäuresequenz hatte.
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Eine Aminosäure ist der Basisbaustein von Proteinen. Die Aminosäurensequenz ist die genaue Reihenfolge dieser Bausteine in einem Protein, die darüber entscheidet, wie es sich faltet und welche Funktion es im Körper erfüllt.
Hier sind alle Infos, die deine Schüler brauchen:
Um diese Challenge lösen zu können, brauchen die Schüler ein gewisses Grundwissen. Dieses wurde auch den Kandidaten in der Show zur Verfügung gestellt.
Was ist DNA überhaupt?
Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist das Molekül, das die gesamte genetische Information eines Organismus speichert. Sie enthält den Bauplan für alle Proteine und steuert damit die Entwicklung, Funktion und Vermehrung von Zellen. DNA findet man in fast allen Zellen: Bei Menschen und Tieren hauptsächlich im Zellkern, zusätzlich aber auch in den Mitochondrien.
Die DNA ist wie eine verdrehte Leiter aufgebaut: das ist die Doppelhelix. Sie besteht aus zwei langen Strängen, die aus vielen Bausteinen, den sogenannten Nukleotiden, zusammengesetzt sind. Diese Nukleotide haben einen variablen Teil: die Basen. Davon gibt es 4: Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). A bindet immer an T; C bindet immer an G.
Und wie genau liest man einen DNA-Strang?
Der Strang, der die Information für die Herstellung eines Proteins trägt, heißt Sense-Strang. Gelesen wird er von 5‘ nach 3‘.
Der genetische Code wird in Dreierschritten gelesen. Das bedeutet, dass die Zelle die Basensequenz der DNA immer drei Basen auf einmal liest. Jedes dieser Dreierpakete heißt Codon und entspricht genau einer Aminosäure. Zum Beispiel: AUG – GCU – AAC …
Jedes dieser Codons wird nacheinander „übersetzt“, sodass eine Aminosäurekette entsteht (also ein Protein).
In dieser Challenge analysierst du insgesamt 24 Basen – also 8 Codons, die für 8 Aminosäuren codieren. Sobald du alle Unterschiede in der Basenabfolge zwischen gesunder Zelle und Tumorzelle identifiziert hast, verwendest du das Codon-Rad (siehe download-links weiter unten). Damit kann jedes Codon in die entsprechende Aminosäure übersetzt werden. Beginne im Zentrum des Rades und bewege dich nach außen entsprechend der drei Basen des Codons. Die entsprechende Aminosäure findest du im äußersten Kreis, dargestellt durch einen einzelnen Buchstaben.
Wichtig zu wissen:
Nicht jede Mutation führt automatisch zu einer anderen Aminosäure! Der genetische Code ist redundant. So codieren beispielsweise GCA und GCG beide für Alanin (A). Eine Veränderung in der dritten Base kann also folgenlos bleiben.
Wenn du eine Mutation findest, die tatsächlich zu einer veränderten Aminosäure führt, notierst du: Positionsnummer der Aminosäure + Ein-Buchstaben-Code der neuen Aminosäure in der Tumorzelle (Beispiel: 6H)
Um diese Challenge im Unterricht nachzumachen, brauchst du keine 3D DNA- Modelle. Hier kannst du das Bild von den zu analysierenden DNA-Stränden einfach ausdrucken:
Hier kannst du die Anleitung der Challenge und die Tabelle ausdrucken, in der die Schüler die Aminosäuren notieren können. (Verfügbar in 3 Sprachen)
Infobox
Gesunde Zelle – Sense-Sequenz (8 Codons):
|
Position |
DNA |
Aminosäure |
|
1 |
ATA |
I |
|
2 |
CGA |
R |
|
3 |
TGC |
C |
|
4 |
AAG |
K |
|
5 |
CTG |
L |
|
6 |
GAC |
D |
|
7 |
TGC |
C |
|
8 |
CAT |
H |
Tumorzelle – veränderte Sequenz:
|
Position |
DNA |
Aminosäure |
|
1 |
ATA |
I |
|
2 |
CGC |
R |
|
3 |
TGC |
C |
|
4 |
AAG |
K |
|
5 |
CTT |
L |
|
6 |
GAG |
E |
|
7 |
TGC |
C |
|
8 |
CAT |
H |
Es gibt drei Basenveränderungen (Position 2, 5 und 6). Aber nur eine davon (Position 6) führt zu einer anderen Aminosäure:
- GAC → D (Asparaginsäure)
- GAG → E (Glutaminsäure)
=> Die einzige korrekte Lösung ist also 6H.
Was haben diese Mutationen mit der Entstehung eines Tumors zu tun?
Proteine sind die Arbeitstiere deines Körpers. Sie steuern nahezu alle Prozesse, vom Stoffwechsel über Zellteilung bis zur Signalübertragung. Ihre Funktion hängt stark von ihrer dreidimensionalen Struktur ab, und diese wiederum wird durch die Reihenfolge der Aminosäuren bestimmt.
Kommt es zu einer Mutation (also zu einer Veränderung in der Basensequenz), kann sich dadurch die Aminosäureabfolge ändern. Ein einzelner Austausch kann die Struktur eines Proteins verändern und seine Funktion beeinträchtigen.
Wenn sich solche Mutationen ansammeln, kann das zu Krankheiten führen: unter anderem zu Krebs. Tumorzellen entstehen häufig, weil bestimmte Proteine durch Mutationen nicht mehr richtig funktionieren.
In der modernen Krebsmedizin wird bei vielen Krebsarten die Tumor-DNA sequenziert, um gezielt Medikamente einzusetzen, die exakt auf die vorliegende Mutation zugeschnitten sind. Statt „eine Therapie für alle“ geht der Trend immer stärker zur personalisierten Medizin. Manche Medikamente wirken tatsächlich nur, wenn eine ganz bestimmte Mutation vorhanden ist. Fehlt diese, bleibt das Medikament wirkungslos.
Willst du dir ansehen, wie die Teilnehmer aus der Show diese Challenge gelöst haben? Dann schaue dir die Folge an:
(Das Video erscheint am 20.03.26)
Ein paar Eindrücke aus Episode 11:
Autorin: Diane Bertel
Editorin: Lucie Zeches (FNR)
Fotograf: Emmanuel Claude
Die Ausarbeitung dieser Rubrik wurde von science.lu in Kooperation mit dem Script (Service de Coordination de la Recherche et de l´Innovation pédagogiques et technologiques) durchgeführt.
