Codierungen und Synthese von Lösungsmöglichkeiten

Für die Städte und Flugverbindungen werden DNA-Codierungen entwickelt. Es wird eine Strategie erarbeitet, wie mit der kostenfreien Software „Hellics“ Lösungsmöglichkeiten des Problems in DNA-Form virtuell erzeugt werden können.

Heuristik

Im weiteren Unterrichtsverlauf geht es um die Frage, wie der untersuchte Algorithmus für das Problem des Herrn Müller effizient auf die DNA-Technologie übertragen werden kann. Dazu beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit der bereits besprochenen Heuristik.

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Der Code

Städte

Zunächst entwickeln die Schülerinnen und Schüler im Unterrichtsgespräch Ideen, wie man die Wege und Städte mit DNA codieren könnte. Erste Anregungen dazu haben sie bereits bei der Auffrischung der genetischen Grundlagen erhalten (Codierung von Aminosäuresequenzen). Die Lernenden können nun selbst Vorschläge machen. Eine Codierung kann aber auch vorgegeben werden.

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Flugrouten

Die Lernenden haben zehn Minuten Zeit, sich zu überlegen, wie man die Verbindungen zwischen den Städten sinnvoll codieren kann (ausgehend von der vorgeschlagenen Codierung der Städte). Dabei muss ihnen auffallen, dass die ersten vier Nucleinbasen der Städte-Codes für die Ankunft, und die letzten vier für die Abfahrt von der jeweiligen Stadt genutzt werden können. Eine Verbindung zwischen zwei Städten entspricht damit dem Komplement von Ankunft- und Abfahrt-Quadrupel (Sequenz aus vier Nucleotiden). Die Schülerinnen und Schüler sollen außerdem den existierenden Hamilton-Pfad von Aachen nach Berlin mittels der Codierung nachbauen (vergleiche Abb. 5). Auf diese Weise werden sie ein Gefühl für den Code bekommen und die zugrunde liegende Logik verstehen.

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Virtuelle Experimente mit "Hellics"

Infos zur Software

Das Programm "Hellics" wurde an der Universität Oldenburg entwickelt und simuliert die einzelnen Funktionen eines DNA-Computers. DNA-Sequenzen werden auf einfache Weise mittels eines grafischen Editors oder aber über eine Skriptsprache erzeugt. Die Software läuft unter Linux beziehungsweise auf PCs in einer Knoppix-Umgebung.

  • Hellics - Simulation von DNA Computing
    Die Software wurde an der Theoretischen Informatik der Uni Oldenburg entwickelt. Sie unterliegt der GNU General Public License und steht kostenfrei zur Verfügung.

Überlegungen zur Erzeugung möglicher Wege

Die Lernenden sollen auf das Merkblatt "Gentechnologische Verfahren" (5_merkblatt_gentechnik.pdf) zurückgreifen. Im Lehrer-Schüler-Gespräch wird gefragt, wie der erste Schritt der Heuristik ("Erzeuge möglichst viele / fast alle Permutationen der Städte des Graphen") realisiert werden kann. Es soll eine zufällige Menge von möglichen Wegen erzeugt werden. Dies wird im Unterrichtsgespräch erarbeitet. Dabei werden die Schülerinnen und Schüler schließlich auf die Idee kommen, die einzelnen Stadt- und Weg-Codierungen (DNA-Sequenzen mit jeweils acht Nucleotiden, je eine Quadrupel für den Start, eine für die Ankunft) zu synthetisieren. In nächsten Schritt werden die Sequenzen in ein Reagenzglas gegeben. Dabei wird das Programm "Hellics" zum Einsatz kommen. Für die Arbeit mit der Software erhalten die Lernenden ein kleines Handout mit Hinweisen zur Nutzung des Programms und mit Arbeitsaufträgen. Die zeitaufwändige Codierung sollte von der Lehrkraft vorgenommen und den Schülerinnen und Schülern als Datei zur Verfügung gestellt werden (13_codevorgabe_hellics.txt).

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Planung des Experimentes - Ergebnissicherung

Die folgenden Punkte werden im Lehrer-Schüler-Gespräch erarbeitet, an der Tafel festgehalten und von den Lernenden abgeschrieben (Punkt 4.a wird zunächst offen gelassen und erst später behandelt!).

  • 1. Städte werden durch DNA-Sequenzen aus jeweils acht Nucleotiden codiert.
  • 2. Flugverbindungen werden so codiert, dass diese komplementär zum hinteren Teil der Start- und zum vorderen Teil der Ziel-Stadt sind (vergleiche Abb. 5).
  • 3. Die DNA-Sequenzen werden synthetisiert.
  • 4. Alle Sequenzen werden in einem virtuellen Reagenzglas vermischt.
  • 5. Die Wahl der richtigen Reaktionstemperatur ("Anneal") und die Ligasen ("Ligate") führen zu Bildung von längeren DNA-Doppelsträngen.
  • 6. Das Reagenzglas enthält nun Millionen von verschiedenen DNA-Doppelsträngen, die alle möglichen Wege im Graphen repräsentieren.
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Frei nutzbares Material
Die von Lehrer-Online angebotenen Materialien können frei für den Unterricht genutzt und an die eigene Zielgruppe angepasst werden.