Herausfiltern der richtigen Lösung

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln eine Strategie, wie sie aus einer Vielzahl von DNA-Molekülen diejenige gezielt „herausfischen“ können, die die gesuchte Lösung codiert. Danach simulieren sie die Vorgehensweise mit der Hellics-Software.

Binnendifferenzierung

Nun gilt es, aus dem virtuellen Reagenzglas die richtige Lösung herauszufiltern, die mit der Hellics-Software erzeugt wurde. Bei der Bewältigung der folgenden Aufgaben bietet sich im Rahmen eines Gruppenpuzzles eine Binnendifferenzierung an:

  • Wie werden die Moleküle selektiert, die die richtige Start- und Zielstadt enthalten?
  • Wie werden nur Moleküle mit der richtigen Länge ausgewählt?
  • Wie kann man sicherstellen, dass alle Städte in einem Molekül vorkommen, und zwar genau einmal?

Die leistungsstärkeren Schülerinnen und Schüler befassen sich mit der Kontrolle der richtigen Start- und Zielstadt (Gruppe 1). Die anderen Gruppen prüfen die Länge (Gruppe 2) der Moleküle, und ob alle Städte darin vorkommen (Gruppe 3). Alle Gruppen gehen bei der Erledigung Ihres Auftrags davon aus, dass die beiden jeweils anderen Kriterien bereits erfüllt sind.

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Gruppe 1: Die richtige Start- und Zielstadt

Die Schülerinnen und Schüler sollen einen Weg finden, wie sicherzustellen ist, nur die Moleküle zu extrahieren (Befehl "Extract"), die die Bedingung "Startpunkt Aachen, Endpunkt Berlin" erfüllen. Man muss dazu erreichen, dass sich an die Abflugstadt (Aachen) keine Flugankunft, und an die Ankunftstadt (Berlin) kein Abflug andocken kann. Die ersten vier Nucleotide von Aachen und die letzten vier von Berlin müssen zu diesem Zweck durch komplementäre Sequenzen "blockiert" werden. Wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, und man einen Strang hat, der Aachen und Berlin enthält, so weiß man, dass diese Städte dort am Anfang beziehungsweise am Ende stehen müssen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese Blockade der Ankunft beziehungsweise des Abflugs zu realisieren. Eine ist in Abb. 4 dargestellt. Das in der linken Teilabbildung dargestellte Molekül blockiert beziehungsweise "verhindert" die Ankunft in Aachen, das in der rechten Teilabbildung dargestellte Molekül den Abflug von Berlin (vergleiche 10_staedte_code_vorgabe.pdf).

Gruppe 2: Die richtige Länge des Moleküls

Diese Gruppe beschäftigt sich mit der Selektion von Molekülen mit der korrekten Länge. Dies erfolgt ganz einfach mittels einer Elektrophorese. In "Hellics" wird dies über die Funktion "Extract Length" realisiert. Das Programm filtert mit diesem Befehl DNA-Stränge mit der vorgegeben Länge heraus. In unserem Beispiel hat ein korrekter Strang eine Länge von vierzig Nucleotiden: Vier Städte mit je acht Nuclotiden plus Start- (Blockade Ankunft Aachen) beziehungsweise Endsequenz (Blockade Ablug-Berlin) mit je vier Nuclotiden. Da die Gelelektrophorese im Rahmen der Wiederholung beziehungsweise der Einführung der molekularbiologischen Grundlagen besprochen wurde, bereitet die Lösung der Aufgabe keine großen Schwierigkeiten.

Gruppe 3: Jede Stadt genau nur einmal!

Auch die Erkennung der einzelnen Städte dürfte keine großen Probleme bereiten. Die Methode "Affinity purification" (siehe 4_grundlagen_leitprogramm.pdf) wird in "Hellics" durch den Befehl "Extract Strand" realisiert. Dabei werden die aus dem Molekülgemisch spezifisch herausgefischten Stränge in ein neues Reagenzglas gegeben. Der Befehl "Extract Berlin" extrahiert alle Stränge, die die DNA-Sequenz von Berlin enthalten. Wenn man diesen Befehl für jede Stadt nacheinander durchführt, erhält man letztlich DNA-Stränge, die jede Stadt nur genau einmal enthalten. Denn ein Strang mit einer Länge von vierzig Nucleotiden, der jede Stadt und die "Anfang/Ende"-Sequenzen enthält, enthält diese auch genau einmal.

Zusammenfassung der Strategie

Nun haben die Schülerinnen und Schüler das Problem fast gelöst! Nach der Präsentation der Ergebnisse aus dem Gruppenpuzzle werden diese gesichert. Auf der zweiten Seite des schon zuvor bearbeiteten Merkblattes mit der Zusammenfassung der Ergebnisse (14_ergebnisse_zusammenfassung.pdf) werden nun die nächsten Punkte von den Lernenden eingetragen (inklusive des zuvor offen gelassen Punktes 4a):

  • 4.a) Füge in das Reagenzglas zu den Stadt- und Flugsequenzen noch zwei zusätzliche Sequenzen hinzu, die den richtigen Anfang und das richtige Ende markieren ("Blockade", siehe Abb. 4).
  • 7. Trenne die Doppelstränge mit "Melt" wieder auf. (Anmerkung: Die folgende Gelelektrophorese kann zwar auch mit doppelsträngigen Molekülen durchgeführt werden. Bei der Affinitätschromatographie in Schritt 9 sind jedoch Einzelstränge erforderlich; siehe 4_grundlagen_leitprogramm.pdf)
  • 8. Trenne die Reaktionsprodukte per Gelelektrophorese auf. Extrahiere DNA-Stränge mit der richtigen Länge (vierzig Nucleotide) und gebe sie in ein neues virtuelles Reagenzglas.
  • 9. Extrahiere nun die Stränge ("Extract") mit der Anfangs- und Zielsequenz, sowie mit den Städten Aachen, Köln, Frankfurt und Berlin nacheinander in ein jeweils neues Reagenzglas.
  • 10. Das letzte Reagenzglas enthält nur noch Stränge mit der richtigen Länge und mit dem richtigen Start- und Zielort. Außerdem enthalten die Moleküle jede Stadt-Sequenz genau einmal. Die Moleküle codieren somit die Lösung des Problems!
  • 11. Das Ergebnis kann nun mittels DNA-Sequenzierung ("Show") bestimmt werden.

Durchführung des Experiments

Erzeugung der möglichen Wege

Die Schülerinnen und Schüler geben die Sequenzen in ein virtuelles Reagenzglas. Eine erste Inspektion ergibt, dass sich die einzelsträngigen DNA-Sequenzen darin befinden. Diese sollen nun Doppelstränge bilden, denn so werden im DNA-Code Städte mittels Flugverbindung verknüpft. Durch den Befehl "Anneal" lagern sich die komplementären Bereiche der Oligonucleotide aneinander und bilden die Doppelstränge. Hellics erwartet zuvor die Eingabe von zwei Parametern: Stellen Sie die Werte 4 und 40 ein. Die 4 steht dabei für die komplementären Quadrupel-Sequenzen, die sich aneinander lagern sollen. Mit dem Wert 40 geben Sie die maximale Länge der zu bildenden Doppelstränge vor (die richtige Lösung hat in dem hier dargestellten Fall eine Länge von 40 Nucleotiden, siehe Abb. 5). Sie sorgen so "künstlich" dafür, dass das Programm nur Doppelstränge dieser maxiamlen Länge errechnet. Das entspricht natürlich nicht dem, was in einem realen Reagenzglas passiert, in dem natürlich auch Moleküle mit mehr als 40 Nucleotiden entstehen! Diese Einschränkung ist hier jedoch nötig, um die Rechenzeit des Programms zu limitieren. Die Oligonucleotide werden dann über den Befehl "Ligate" fest miteinander verknüpft. Eine erneute Inspektion des Reagenzglases ergibt nun ein Gemisch aus zahlreichen DNA-Doppelsträngen, die mögliche Wege des Geschäftsmannes Peter Müller repräsentieren (zwar alle mit der richtigen Länge, aber keineswegs alle mit der richtigen Start- und Zielstadt!). Es ist an dieser Stelle sinnvoll, einzelne DNA-Stränge von den Schülerinnen und Schülern decodieren zu lassen. So können sie sich davon überzeugen, dass die Moleküle tatsächlich mögliche Flugrouten darstellen.

Selektion der richtigen Lösung

Wenn die Lernenden nach dem Durchlaufen der restlichen Prozedur das letzte Reagenzglas inspizieren, bleibt tatsächlich nur ein DNA-Strang übrig (Abb. 5). Es ist ein Erfolgserlebnis, wenn sie sehen, dass dieser Strang auch tatsächlich die korrekte Lösung (Aachen - Köln - Frankfurt - Berlin) codiert. Sie haben somit ihre erste Rechnung mit einem DNA-Computer durchgeführt!

Abschluss

Das Lösungsrezept

Den Schülerinnen und Schülern wird das komplette Skript zum Finden der richtigen Lösung zur Verfügung gestellt. Damit können sie Schritte zuhause rekapitulieren und mit "Hellics" noch einmal durchspielen.

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