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DBS jetzt »Umweltschule«

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Schüler der DBS beim PCR-Test. Rechts der Thermocycler im selbstgebauten Holzgehäuse. © Krenig

Die Dietrich-Bonhoeffer-Schule (DBS) in Lich den Titel »nachhaltige Umweltschule« und reiht sich damit in die Reihe der 207 hessischen Umweltschulen ein.

Lich (rrs), Kein Aprilscherz: Seit Montag, den 4. April, trägt die Dietrich-Bonhoeffer-Schule (DBS) in Lich den Titel »nachhaltige Umweltschule« und reiht sich damit in die Reihe der 207 hessischen Umweltschulen ein. Die auf zwei Jahre angelegte Auszeichnung wird vom Kultus- und Umweltministerium für besonderes Engagement im Bereich Umweltbildung und nachhaltige Entwicklung vergeben. Die DBS-Schülerfirma »Biotech AG« konnte mit ihren Projekten »Nitrotoxy-Strom aus Gülle« und »PCR-Thermocycler« überzeugen und Urkunde inklusive Schild absahnen.

Schon seit 2017 werkelt die Schülerfirma an der DBS, betreut von Lehrer Bernhard Krenig, seines Zeichens Diplom-Chemiker und -Biologe mit immer neuen kreativen Ideen. In ihrer Firma suchen Jugendlichen des Wahlpflichtunterrichts aus den Klassen neun und zehn nach Lösungen technisch-biologischer Probleme im eigenen Umfeld, mit einfachen Mitteln und ohne allzu hohe Kosten. Mit ihren Produkten wie dem Desinfektionsmittel »Uru Uru«, einem berührungslosen 3D-Druck-Türöffner, einem »Virenfänger« in der Corona-Hochzeit und den obigen Geräten schreibt die Schülerfirma eine einzigartige Erfolgsgeschichte und holte etlichen Preise.

Im Rahmen des Umweltschutzes dienen Ethanol und Biogas als erneuerbare Energieträger und werden normalerweise aus Nutzpflanzen wie Raps, Mais oder Zuckerrohr gewonnen. Um den Konflikt zwischen Teller und Energie zu entschärfen, setzten die Schüler 2019 stattdessen auf Gemüseabfälle aus dem Supermarkt, welche sie Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, als Substrat anboten. Mit Schneidebrett, Messer und PET-Flaschen ging es ans Werk. Altes Gemüse wurde zerkleinert und mit Hilfe der Cyanobakterien in Flaschen vergoren. Durch den Gärprozess wird Biogas und Alkohol frei gesetzt, was über die Flaschenhälse gestülpte Luftballons anzeigten. Durch die bei der Verbrennung des Alkohols und Biogases entstehende Hitze wird ein sogenannter Stirling-Motor angetrieben. Dieser besteht aus einer in sich geschlossenen, mit Luft gefüllten Kammer und ist natürlich Marke Eigenbau. Durch die Verbrennungshitze wird die Luft an einer Stelle erwärmt und dehnt sich aus, an anderer Stelle wieder abgekühlt und zieht sich zusammen.

Strom aus Gülle

Dieser ständig wechselnde Einfluss setzt einen Kolben in Bewegung, der über einen Keilriemen einen angeschlossenen Generator antreibt und dadurch Strom erzeugt. Pfiffig wird hier also aus Gülle mit einfachsten Mitteln regenerativer Strom produziert. Dieses Verfahren ist besonders in Entwicklungsländern günstig einsetzbar, da sämtliche organischen Abfälle genutzt werden können.

Seit Corona ist PCR zwar in aller Munde, aber kaum jemand weiß, wie das funktioniert. Grund genug, den Bau eines PCR-Thermocyclers mit einfachsten Mitteln ins Visier zu nehmen. Es handelt sich kurz gesagt um ein auf zyklischen Temperaturwechseln basierendem Kopiergerät, das kleinste DNA-Spuren vervielfältigt, sodass sie anschließend analysiert werden können. Die Schülerfirma hat es mit ihrem Gerät aber nicht auf die Corona-Viren abgesehen, sondern will das Erbgut von Insekten untersuchen. Erst durch PCR wurde es möglich, festzustellen, ob ähnlich oder fast gleich aussehende Insekten wirklich verwandt sind oder aber überraschenderweise keinerlei genetische Übereinstimmungen zeigen.

Der PCR-Prozess benötigt das hitzestabile, aus hitzeresistenten Bakterien stammende Enzym DNA-Polymerase als »Klebstoff« für die DNA-Bausteine, Nukleotide genannt, einen Primer aus 15 bis 30 DNA-Bausteinen und zusätzliche freie Nukleotide. Diese Materialien kauft die Schülerfirma fertig gemixt bei einer Firma. Ein typischer PCR-Zyklus besteht immer aus drei Arbeitsschritten bei festgeschriebenen Temperaturen: Aufschmelzen der DNA, Primer-Anlagerung sowie DNA-Ketteverlängerung, und muss in einem Thermocycler mindestens 20 Mal durchlaufen werden, um genügend DNA zu erzeugen. Zuerst wird das Gemisch in einem Reagenzglas auf 90 Grad erhitzt. Dadurch werden die Wasserstoffbrücken zwischen den zweiteiligen, spiralförmig umeinander gedrehten DNA-Strängen zerstört, was die Stränge voneinander löst. Dann wird alles auf 60 Grad abgekühlt, damit die Primer als Startvorlage an die Stränge binden können, wobei die Primer genau an bestimmte Stellen der Stränge passen müssen. Mit zwei unterschiedlichen Primern kann man Anfang und Ende der Abfolgen exakt festlegen. Im letzten Schritt, der Vervielfältigung, wird die Temperatur auf 70 Grad erhöht. Nun kann die DNA-Polymerase die passenden freien DNA-Bausteine mit den noch leeren Strangstellen verkleben und so neue, vollständige DNA-Stränge erzeugen.

Marke Eigenbau

Zusammen mit Lehrer Krenig und Unterstützung von Silke Meister vom Marken- und Designmuseum Frankfurt haben die Jugendlichen anhand einer Bauanleitung in der Zeitschrift Laborjournal einen Thermocycler mit einfachsten Mitteln selbst zusammengebaut. Die benötigten 500 Euro liegen weit unter dem handelsüblichen Preis von rund 3500 Euro.

Die geniale Grundidee: Ein PCR-Röhrchen, das am Ende eines Auslegers hängt, wird manuell zwischen zwei offenen, wassergefüllten Thermosflaschen hin und her bewegt. Dabei taucht es abwechselnd in 95 beziehungsweise 60 Grad heißes Wasser ein, das zum Wärmehalten mit einer Ölschicht bedeckt ist. Fertig ist der primitive Thermocycler, der aber im Test erstaunlich gut mit einem modernen Gerät mit eingebautem Alu-Wärme-Block mithalten konnte. Auch Kary Mullis, PCR-Entdecker und Nobelpreisträger von 1993, hat seine ersten PCR-Reaktionen durch das Eintauchen von Proben in verschiedene warme Wasserbäder erhalten.

Die so vermehrte Insekten-DNA schicken die Schüler übrigens zur Insekten-Bestimmung an die Hamburger Uni. Ihr Thermocycler wird zwischenzeitlich durch einen farbig angestrichenes Holzgehäuse als Außenhülle aufgewertet. Außerdem kaufen sie vermehrt alte oder defekte Thermocycler an, bringen sie wieder in Schuss und veräußern sie an andere Schulen.

Mit ihren beiden Projekten wird die DBS-Schülerfirma als einzige hessische Schule vom 2. bis 10. Juli mit einem Stand auf der »IdeenExpo« in Hannover vertreten sein.

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