Hvorledes kan bioteknologi indgå i gymnasiets biologiundervisning?

I forbindelse med den forestående revision af gymnasiebekendtgørelsen diskuteres det, hvorledes bioteknologi skal indgå i biologiundervisning i fremtiden. Denne artikel blev anvendt ved biologilærersammenslutningens  regionalmøde d. 1/2 - 2001 på Hasseris Gymnasium, Aalborg som oplæg til denne debat.

Den nuværende bekendtgørelse

Gymnasiebekendgørelsens bilag 3 vedrører undervisningen i biologi. I beskrivelsen af fagets identitet og formål lægges der vægt på, at biologi er et eksperimentelt fag og at biologiske undersøgelser og eksperimenter er grundlaget for den naturvidenskabelige indsigt i levende organismers funktion og samspil. Bioteknologi nævnes specifikt i relation til medicinsk forskning og biologisk produktion og at disse aktiviteter giver anledning til etiske overvejelser. Ligeledes rejser den  teknologiske udvikling inden for biologisk produktion spørgsmål om miljø, biologisk diversitet og sundhedsfremme.

Det påpeges, at biologisk viden er en væsentlig baggrund for stillingstagen i sådanne spørgsmål. Undervisningens er tilrettelagt således, at der kan opnås indsigt på tre forskellige niveauer, hvis mål, indhold og form er opsummeret i tabel 1. Det grundlæggende niveau C er obligatorisk.

Tabel 1. Biologiundervisningen i gymnasiet (fra bekendtgørelsen)

Den nuværende bekendtgørelse lægger således vægt på human fysiologi og genetik, men indeholder også andre elementer af stor betydning for bioteknologi (se tabel 2).

En forbedring af undervisningens indhold bør tage udgangspunkt i bioteknologiske fagområder, der er i stærk udvikling.

Tabel 2. Emner af relevans for bioteknologi (fra bekendtgørelsen)

Bioteknologiske fagområder i stærk udvikling

Traditionelt defineres bioteknologi som en integreret anvendelse af biokemi, mikrobiologi og procesteknologi med henblik på udnyttelse af biologisk aktivitet af hele celler, cellekomponenter eller molekyler til fremstilling af produkter. En vigtig del af dette fagområde er fermenteringsprocesser til fremstilling af enzymer og lægemidler. Optimering af fermenterings- og bioprocesser drejer sig bl.a. om reaktor design, massetransport i væsker, vækstkinetik og massebalancer samt mikroorgansimens vækstbetingelser. I bioprocesteknologi indgår instrumentering og måleudstyr samt automatiseret styring, regulering og overvågning (se figur 1).

Figur 1. Principskitse af en industriel bioreaktor.

De senere år er der imidlertid sket en udvikling indenfor det medicinske område, hvor bioteknologi anvendes i analyse og diagnostik samt til sygdomsbehandling. Som eksempel på ny teknologi indenfor diagnostik kan nævnes forsøg med DNA-chips til at analysere en række fysiologiske og sundhedsmæssige tilstande herunder stadier af blærekræft. Endvidere har interessen for cancer medført en koncentreret indsats for at undersøge mekanismer i cellekommunikation og celledifferentiering. Stamcelleforskning er således et vigtigt indsatsområde. Direkte genterapi på mennesker vil i fremtiden uden tvivl kunne helbrede mennesker for en række sygdomme, herunder cystisk fibrose og visse former for hudkræft.

I søgen efter bedre egnede enzymer til fremstilling af bioteknologiske eller pharmaceutiske produkter er kunstigt designede enzymer et interessant emne.  I virkeligheden består det kunstige design oftest af releativt små modifikationer i generne og dermed i sammensætningen af eksisterende enzymer, for således at modificere eller introducere nye egenskaber hos enzymet (se fig 2).

Fig 2. Molekylmodel af sur a-amylase baseret på
røntgenkrystallografi.

Dette kan gøres ved rationelt design, hvor man intelligent forsøger at gætte, hvilke ændringer der skal til for at introducere nye egenskaber og derefter eksperimentielt introducerer disse ændringer (site directed mutagenesis).  En ny og anden eksperimentel metode, directed evolution, består i, at man efterligner naturen forstået på den måde, at man introducerer tilfældige mutationer i det eller de gener, man ønsker ændret og herefter selektere for de egenskaber, man ønsker at forbedre.  Ofte kræver dette, at man undersøger 100000-1000000 kloner og det kræver derfor stærkt automatiseret high throughput teknologi både med hensyn til håndtering af prøver og data. I high throughput teknologi  indgår derfor både robotter og bioinformatik.

For at have det fulde kendskab til, hvilke byggeklodser vi er fremstillet af og dermed til fulde at få indsigt i biodiversiteten er gensekventering et helt essentielt område i genteknologien.  Høj effektive metoder til stor skala sekventering af hele genomer eller transkriptomer (mRNA) er under konstant udvikling og allerede nu er genomerne for en række mikroorganismer, for planten gåsemad, insektet bananflue og snart for mennesket kendt. Kortlægningen af det humane genom forventes afsluttet i nær fremtid og er således gået langt stærkere end først antaget. I de kommende år vil en langt bredere vifte af organismer få deres genomer og transkriptomer analyseret. I første omgang vil det formentlig dreje sig om mus, køer, svin, majs, kartoffel og andre kommercielt interessante organismer.

Med denne enorme viden og datamængde er der stort behov for at kunne sammenligne både DNA - sekvenser af gener (se fig 3) samt  aminosyresekvenser og  strukturmodeller af proteiner. Dette sker ved at søge på databaser, hvor denne information kan findes. Selve søgning og databehandlingen er ikke triviel, men kræver specialviden, dels om programmel og dels om den biologiske side af sagen. Selve fagområdet benævnes bioinformatik. Udfordringen bliver i fremtiden, at fortolke denne information og udnytte den opsamlede viden til at finde ud af, hvorledes gener og fysiologiske processer reguleres. 

Figur 3. Udsnit af sekvensalignment hentet fra en databank.

Forståelse af basale principper for molekylær interaktion og stofskifteregulering, samt analysemetoder, forsøgplanlægning og statistik og databehandling vil være helt centrale emner i fremtiden.

Indenfor analytik og diagnostik vil de centrale emner være

• Molekylærbiologiske teknikker og analysemetoder
• Spektroskopi og biofysiske analysemetoder
• Biokemiske og immunologiske analysemetoder
• DNA-chip teknologi

En væsentlig side af den kvantitative biologi vil være analyse af stofomsætning og måling af omsætningshastigheder , som også omfatter

• Biologisk aktivitet og katalyse
• Bioprocesser, omsætning, kinetik og procesteknik
• Stofomsætning i relation til mikrobiel økologi , populationer og dannelse af  biofilm

Endnu en vigtig side af den kvantitative biologi vil være

• Bioinformatik
• Biostatistik
• Forsøgsplanlægning
• Risikoanalyse

Basale principper for molekylære interaktioner omfatter cellekommunikation og differentiering og vil kræve indsigt i fysisk-kemi og molekylers struktur og funktion.

Holdningsdannelse og etik

I relation til holdningsdannelse, stillingtagen og etik bliver det i fremtiden vigtigt at have et vist fagligt grundlag således, at man er i stand til at skelne påstande fra veldokumenterede årsagssammenhænge. Riskoanalyse vil være en med til at skabe et mere rationelt grundlag for at tage stilling. Men ofte er holdninger og afgørelser ligeså meget følelsesbetingede som rationelle. Derfor er det vigtigt at skabe et vist fagligt niveau og udrydde basale misforståelser. Et modificeret gen indeholder f.eks. ikke fremmede molekyler og består derfor af de samme byggesten som vildtypegenet.

I gymnasieundervisningen bør der inddrages eksempler på udnyttelse af genteknologi, som udgangspunkt for både en faglig fordybelse og en diskussion om etik og holdninger.

På Dansk Bioteknologisk Forums konference sidste år blev foredragsholderne bedt om at forholde sig til fordele og risici forbundet med udnyttelsen af netop den forskning, de selv præsenterede, samt om muligt at placere forskningsresultaterne i en eksponerings-matrix, der illustrerede i hvilken grad den enkelte forbruger kan komme i direkte kontakt med et genteknologisk produkt eller en anvendelse af bioteknologi (se tabel 3).

Tabel 3. Eksponeringsmatrix for bioteknologiske produkter og metoder. Eksempler på i hvilken udstrækning den enkelte forbruger kan komme i direkte kontakt med et genteknologisk produkt eller en anvendelse af bioteknologi.

Matricen blev således anvendt som referenceramme under konferencens faglige sessioner og deltagerne blev opfordret til at tage stilling til deres egen accept af de angivne eksempler. Matricen fungerede dermed som et debatoplæg og ikke som en facitliste eller en autoritativ graduering af GMO-eksponeringen i de nævnte anvendelser.

Konklusion

Der er således en række spændende bioteknologiske emner, som naturligt vil kunne inddrages i den fremtidige biologiundervisning i gymnasiet. Uanset, hvorledes justringen af indholdet gribes an, vil det på alle fronter være vigtigt, at styrke det kvantitative i biologien såvel makroskopisk som på cellulært niveau. Informationsteknologien er også indenfor biologien på stærk fremmarch og er allerede i dag en helt uundværlig del af udviklingsarbejdet forbundet med design af nye enzymer og medikamenter. På høj-niveau (A) bør der derfor gives mulighed for at stifte bekendtskab med bioinformatik.  På C-niveau bør der fokuseres på cellelære,   molekylær biologi og proteinsyntese - og der bør arbejdes med eksempler på anvendelse af genteknologi som grundlag for diskussion af risici og etik.