Pestalozzi-Gymnasium Heidenau

Am 30. August 2024 besuchte der Bio-Leistungskurs der 12. Klassen des Pestalozzi-Gymnasiums Heidenau das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Während der ganztägigen Exkursion wurde uns das wissenschaftliche Arbeiten im Labor nähergebracht und wir erfuhren spannendes über biologische Zusammenhänge sowie die Forschungseinrichtung.
Die Geschichte des HZDR geht bis in die Anfangszeiten der DDR zurück. Mit dem “Zentralinstitut für Kernphysik” befand sich seit 1956 die erste Forschungsanlage auf dem heutigen Gelände. Kurz nach der Wende wurde dort dann das “Forschungszentrum Rossendorf” gegründet, welches seit Januar 2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft ist. Heute wird hier in drei Bereichen geforscht: Energie, Materie und Gesundheit. Uns als Bio-LK hat natürlich besonders der letzte interessiert. Thematischer Schwerpunkt des Institutes ist hierbei die Erforschung neuer Methoden für die Diagnose und Therapie von Krebserkrankungen.

Unser Forschungstag begann um neun Uhr. Die wissenschaftliche Mitarbeiterin Nadja führte uns durch die Experimente, einige Studenten und Auszubildende sorgten für weitere Unterstützung. Um 12:30 hatten wir uns eine Mittagspause verdient, in der wir die hauseigene Kantine besuchten. Nach den letzten Experimenten gab es noch ein abschließendes Quiz, bevor wir um etwa 14 Uhr unseren wissenschaftlichen Tag erfolgreich beendeten. Doch welche Experimente haben wir durchgeführt?

Unser Tag war in zwei wesentliche Experimente mit unterschiedlichen Themenschwerpunkten unterteilt. Im ersten Experiment untersuchten wir die Wirkung verschiedener Substanzen auf die Zellmembran, also die „Haut“ der Zelle. Im zweiten Experiment ging es darum, wie Strahlung die Zellvermehrung beeinflusst. Bevor wir mit den Experimenten begannen, gab es eine Übung zum Thema Pipettieren.
Das klingt zwar einfach, ist aber deutlich komplexer, als man denkt. Da wir mit sehr kleinen
Mengen im Mikroliterbereich gearbeitet haben, mussten “Kolbenhubpipetten” genutzt werden, welche uns einiges an Übung und Fingerspitzengefühl abverlangten, um die Proben richtig aufzunehmen und ohne Luftblasen zu übertragen. Diese konnten nämlich die gesamte Messung verfälschen. Eine weitere Herausforderung bestand darin, beim Pipettieren den Boden der Probenbehälter (den sogenannten Wells) nicht zu berühren. Das hätte die Zellen am Boden aufgewirbelt und das Messergebnis verfälscht.

Nach der Übung starteten wir mit dem ersten Experiment. Unser Ziel war es, mit verschiedenen, spülmittelähnlichen Substanzen die Zellmembran zu zerstören. Die Zellmembran umgibt tierische Zellen und grenzt sie von der Außenwelt ab, wodurch nur bestimmte Stoffe in die Zelle gelangen können. Normalerweise hält die Zelle das Enzym Lactatdehydrogenase (LDH) in ihrem Inneren zurück, da es eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung der Zelle spielt. Wir wollten jedoch messen, wie gut die Zellmembran unseren Testsubstanzen standhält.

Dazu entwickelten wir einen Versuchsaufbau: Wenn die Zellmembran zerstört wird, steigt die Konzentration von LDH außerhalb der Zelle. LDH katalysiert die Umwandlung von Pyruvat zu Lactat, was wir jedoch nicht direkt nachweisen können. Stattdessen konzentrierten wir uns auf das bei der Reaktion entstehende NADH, das aus NAD+ gebildet wird. Hier kommt ein cleverer Mechanismus ins Spiel: In Gegenwart von Diaphorase und NADH reagiert der Stoff Iodonitrotetrazolium zu Formazan, einer Substanz, die eine violette Färbung annimmt. Diese Färbung konnten wir messen. Unser Versuchsplan sah vor, eine Zellkultur der Linie HMC3 auf acht Wells aufzuteilen. Zwei Wells behandelten wir mit Triton, zwei mit SDS und zwei mit DMSO. Triton und SDS sind spülmittelähnliche Substanzen, von denen wir eine zerstörerische Wirkung auf die Zellmembran erwarteten. DMSO hingegen sollte keinen signifikanten Effekt haben. Die
verbleibenden zwei Wells ließen wir unbehandelt, um eine sogenannte Negativkontrolle zu
erhalten. Diese Kontrolle zeigte uns, was mit den Zellen passiert, wenn ihre Membran intakt bleibt. Wir vermischten die Substanzen und ließen sie eine Weile im Inkubator reagieren.

Während die Substanzen im ersten Experiment wirkten, führten wir das zweite Experiment
durch. Wir untersuchten die Mitoserate, also die Häufigkeit der Zellteilung von Zellen in
bestrahlten und unbestrahlten Proben. Dieses Experiment führten wir mit Hilfe eines Mikroskops durch. Wir zählten zunächst die Gesamtzahl der Zellen in einem bestimmten Bildausschnitt und anschließend die Zellen, die sich in der sogenannten Metaphase befanden. Die Metaphase ist eine Phase der Zellteilung, bei der das Erbgut der Zelle besonders gut sichtbar ist, da es sich sehr kompakt anordnet. Durch das Zählen dieser Zellen konnten wir feststellen, wie viele Zellen sich gerade in der Zellteilung befanden und inwiefern die Strahlung diese beeinträchtigt.

Strahlung kann das Erbgut einer Zelle schädigen, indem sie Brüche in der DNA verursacht
oder Mutationen hervorruft. Diese Schäden können die Zellteilung verlangsamen oder sogar stoppen, was zu einem Rückgang der Mitoserate führt. Das untersuchten wir in diesem Experiment.
Nachdem die Substanzen im ersten Experiment ausreichend Zeit hatten, ihre Wirkung zu entfalten, fügten wir eine „Stopp-Lösung“ hinzu. Diese Lösung beendete die Reaktionen, sodass die Ergebnisse vergleichbar blieben. Außerdem gaben wir in zwei weitere Wells eine sogenannte Positivkontrolle, die aus in Serum gelöstem LDH bestand. Diese sollte einen besonders starken Effekt zeigen.
Nun fügten wir eine Substratlösung hinzu, die Lactat (den Ausgangsstoff der Reaktion),  Iodonitrotetrazolium (unseren Farbindikator) und Diaphorase (das Enzym, das die Reaktion beschleunigt) enthielt.

Im Anschluss wurden unsere Proben photometrisch gemessen. Das bedeutet, dass die
Intensität der violetten Färbung der Lösung gemessen wurde. Je stärker die Färbung, desto mehr LDH war freigesetzt worden, was auf eine stärkere Schädigung der Zellmembran hindeutete. Einige Proben mussten wir verdünnen, da sie zu stark gefärbt waren und das Gerät die Messung sonst nicht korrekt durchführen konnte. Dabei war es jedoch wichtig, auf ein exaktes Mischverhältnis zu achten und dieses im Nachhinein rechnerisch wieder abzuziehen.

Das erwartete Ergebnis bestätigte sich: Triton und SDS, beide spülmittelähnliche Substanzen, zerstörten die Zellmembran und führten zu einer höheren Konzentration von LDH in der Lösung. DMSO zeigte hingegen keine signifikante Wirkung im Vergleich zur Negativkontrolle. Dass Überhaupt eine Reaktion stattgefunden hatte, wurde durch die starke Verfärbung der Positivkontrolle bestätigt.
Alles in allem war die Exkursion sehr lehr- und aufschlussreich. Wir konnten einiges lernen über das wissenschaftliche Arbeiten im Labor und die zellbiologischen Zusammenhänge.

Jonas Gladrow und Florian Schmidt