Schülerlabore haben unter anderem zum Ziel, die Motivation, insbesondere das Interesse – i.S. einer gegenstandsbezogenen Motivation – von Schüler*innen an MINT-Themen und -Arbeitsweisen zu fördern. Darüber hinaus konnten sie sich schneller und produktiver als die formalen Bildungsorte den Herausforderungen der digitalen Transformation stellen. Das Potenzial, Schülerlabore auch als innovative Orte der Lehrkräftefortbildung (LFB) zu nutzen und digitalisierungsbezogene Kompetenzen bei Lehrkräften aufzubauen, wurde bisher nicht ausgeschöpft. Im Verbundprojekt mit insgesamt acht Standorten werden Schülerlabore zu LFB-Labs-digital ausgebaut und die Frage nach Implementierungsvoraussetzungen gelingender Fortbildungen in der digitalen Welt im MINT-Bereich bearbeitet. In diesem Artikel werden die theoretische Fundierung, Ziele und anvisierten Forschungsarbeiten des Verbunds LFB-Labs-digital dargelegt. Zur Unterstützung der mit der forschungsbasierten Qualitätsentwicklung der MINT-bezogenen Aus-, Fort- und Weiterbildung von Lehrkräften betrauten Einrichtungen in den Ländern sollen in Kooperation mit dem Kompetenzzentrum MINT des Bundes die Lernorte „Schülerlabore“ für die digitale LFB erschlossen werden, um vermittelt hierüber die Motivation von Schüler*innen für die MINT-Fächer zu fördern. Die in den Schülerlaboren evaluierten und vom fächerübergreifenden adaptiven Qualitätsmanagement für die LFB wissenschaftlich begleiteten Good-Practice-Beispiele werden zur Grundlage für den „Referenzrahmen LFB-Labs-digital“. Dieser wird – vor dem Hintergrund einer Ergebnistriangulation aus der Begleitforschung sowie den damit parallelisierten Studien zur Evidenzbasierung der Lehrkräftequalifizierung in der digitalen Welt und dem Musterqualitätshandbuch LFB – entwickelt und von einem Implementierungsbeirat mit ausgewiesenen Expert*innen in diesem Bereich auf Transferoptionen hin geprüft. Die digitale Infrastruktur für die LFB-Labs-digital-Veranstaltungsformate wird hierzu prozessbegleitend ausgebaut.

The controlled translocation of a single, double-stranded DNA (dsDNA) through a solid-state nanopore (NP) with optical tweezers (OT) is described in the presence of an electric field under buffer conditions. Upon threading dsDNA complexed by single proteins through a NP in 20 nm thick Si3N4-membranes, we find distinct asymmetric and retarded force signals that critically depend on the overall charge of the protein, the molecular elasticity of the dsDNA and the counter-ionic shielding of the polyelectrolyte (dsDNA) in the buffer3. This force response can be quantitatively simulated and understood within a theoretical model where an isolated charge on an elastic, polyelectrolyte strand experiences a harmonic nanopore potential during translocation. In order to extend these experiments to atomically thin solid-state NP, dsDNA was threaded through single nanolayer graphene NP by a transmembrane voltage.

High mobility group (HMG) proteins of the HMGB family are chromatin-associated proteins that as architectural factors are involved in the regulation of transcription and other DNA-dependent processes. HMGB proteins are generally considered nuclear proteins, although mammalian HMGB1 can also be detected in the cytoplasm and outside of cells. Plant HMGB proteins studied so far were found exclusively in the cell nucleus. Using immunofluorescence and fluorescence microscopy of HMGB proteins fused to the green fluorescent protein, we have examined the subcellular localization of the Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) HMGB2/3 and HMGB4 proteins, revealing that, in addition to a prominent nuclear localization, they can be detected also in the cytoplasm. The nucleocytoplasmic distribution appears to depend on the cell type. By time-lapse fluorescence microscopy, it was observed that the HMGB2 and HMGB4 proteins tagged with photoactivatable green fluorescent protein can shuttle between the nucleus and the cytoplasm, while HMGB1 remains nuclear. The balance between the basic amino-terminal and the acidic carboxyl-terminal domains flanking the central HMG box DNA-binding domain critically influences the nucleocytoplasmic distribution of the HMGB proteins. Moreover, protein kinase CK2-mediated phosphorylation of the acidic tail modulates the intranuclear distribution of HMGB2. Collectively, our results show that, in contrast to other Arabidopsis HMGB proteins such as HMGB1 and HMGB5, the HMGB2/3 and HMGB4 proteins occur preferentially in the cell nucleus, but to various extents also in the cytoplasm.

Our single cell analytical experiments for future protein fingerprinting combines microfluidic on-chip protein electrophoresis with latest laser technology for single cell manipulation and (label-free) protein detection, and is presented by the following issues: 1) Single cells were trapped and navigated by optical tweezers (OT) in a PDMS microfluidic device, and lysed at a predefined position. 2) Separation and detection of proteins was achieved with laser induced fluorescence (LIF) detection in the visible (488 nm) as well as in the UV (266 nm) spectral range for label-free protein detection. 3) First successful experiments with single GFP-transfected Sf9 insect cells exhibit distinct single component electropherograms.

Fur die Therapie von Knorpelschaden werden in zunehmendem Mase Produkte des Tissue Engineerings eingesetzt. Das Verfahren der Matrix-gekoppelten Autologen Chondrozyten Implantation (MACI) stutzt sich dabei auf die praimplantative Kultivierung von Chondrozyten auf Kollagen I/III-Tragern mit anschliesender Implantation der zellbewachsenen Kollagentrager in den Knorpeldefekt. Die nichtinvasive Kontrolle des praimplantativen Kultivierungsprozesses hinsichtlich Zellzahl, Zellwachstum und Zellverteilung ist bisher jedoch nur eingeschrankt moglich. Es werden Moglichkeiten vorgestellt, Chondrozyten auf Kollagen I/III-Tragern mittels Zweiphotonen-Laserscanning-Mikroskopie (2PLSM) selektiv zu visualisieren. Durch die laserrasternde Mikroskopie konnen dreidimensionale Strukturinformationen in nativen, ungefarbten MACI-Konstrukten gewonnen werden. Durch die Anwendung von Femtosekunden-Laserpulsen im NIR-Bereich zur Zweiphotonenanregung und Second Harmonic Generation (SHG) ist die mikroskopische Darstellung von stark streuenden zellbewachsenen Kollagen-Membranen bis in eine Tiefe von 300 μm moglich. Die selektive Darstellung von Chondrozyten und Kollagen I/III-Zelltragermaterialien kann anhand a) der nativen Fluoreszenz-Emissionsspektren und b) der SHG-Signale der Kollagen-Trager erfolgen. Die Ergebnisse stellen die Ausgangsbasis fur die onlineKontrolle der Zellkultivierung im Tissue Engineering unter mechanischer Stimulation dar und konnen gleichfalls zur nichtinvasiven Bestimmung der Zahl an Chondrozyten in Knorpelbiopsien im Sinne einer Qualitatskontrolle fur das Tissue Engineering eingesetzt werden.

Native hyaline cartilage from a human knee joint was directly investigated with laser scanning microscopy via 2-photon autofluorescence excitation with no additional staining or labelling protocols in a nondestructive and sterile manner. Using a femtosecond, near-infrared (NIR) Ti:Sa laser for 2-photon excitation and a dedicated NIR long distance objective, autofluorescence imaging and measurements of the extracellular matrix (ECM) tissue with incorporated chondrocytes were possible with a penetration depth of up to 460 μm inside the sample. Via spectral autofluorescence separation these experiments allowed the discrimination of chondrocytes from the ECM and therefore an estimate of chondrocytic cell density within the cartilage tissue to approximately 0.2-2•107cm3. Furthermore, a comparison of the relative autofluorescence signals between nonarthritic and arthritic cartilage tissue exhibited distinct differences in tissue morphology. As these morphological findings are in keeping with the macroscopic diagnosis, our measurement has the potential of being used in future diagnostic applications.

Electrochemical microelectrode devices are among the great challenges for bioelectrochemistry, cell biology and recently also for biomedical research and new clinical electrotherapies. Two representative cases in cell biology and medical research for new trends in the technical devices are selected, heading at new diagnostic and therapeutic clinical applications. One example is from the field of biosensing cholinergic neurotransmitter substances by the nicotinic acetylcholine receptor (AcChoR) in solid-supported lipid bilayer membrane and the other one refers to new developments of electrode systems for the electrochemical delivery of drugs and genes to biological cell aggregates and tissue by the powerful method of membrane electroporation. In both cases addressed to, the new developments include the use of electrical feedback control of electrode arrays for biosensing processes as well as for the extent and duration of tissue electroporation. In line with the impressive advances in medical microsurgery, where increasingly smaller organ targets become accessible, microelectrode systems have become a continuous technical challenge for bioanalytical purposes and, as discussed here in some detail, for the new field of the electroporative delivery of effector substances like drugs and genes, using miniaturized electrochemical electrode arrays.