PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“

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1 PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“ Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Ein Schlüssel-Schloss-Molekül
Pepsinogen Pepsin Ein Schlüssel-Schloss-Molekül

3 Wie stellt die Natur ihre
Schlüssel-Schloss-Moleküle her ?

4 Konstruktionszeichnung – Realisation Gestern

5 Konstruktionszeichnung – Realisation Heute
Konstruktionszeichnung – Realisation Heute

6 Konstruktionszeichnung – Realisation In der Biologie
Desoxiribonukleinsäure (DNA-Doppelhelix) Protein (Aminosäurekette) Konstruktionszeichnung – Realisation In der Biologie

7 Nukleotidbasen Aminosäuren Adenin Thymin Guanin Cytosin A T G C
Bausteine für die „Konstruktionszeichnung“ Aminosäuren Phenylalanin Leucin Isoleucin Methionin Valin Serin Prolin Threonin Alanin Tyrosin Histidin Glutamin Asparagin Lysin Asparaginsäure Glutaminsäure Cystein Tryptophan Arginin Glycin Phe Leu Ile Met Val Ser Pro Thr Ala Tyr His Gln Asn Lys Asp Glu Cys Try Arg Gly TTT TTC CTT CTC ATT ATC ATA . Bausteine für die Realisierung

8 Schlüssel-Schloss-Prinzip – Basenpaarung

9 Der Genetische DNA-Code

10 Aminoacyl t-RNA Synthetase
Realisierung der genetischen Information

11 Akzeptor für Aminosäure
G Phenylalanin t-RNA

12 Aminosäure und ATP docken an
Aminoacyl t-RNA Synthetase ATP gibt zwei Phosphatgruppen ab Enzym kehrt in den Originalzustand zurück und verbindet sich mit der Aminosäure t-RNA dockt an AMP wird frei Beladene t-RNA wird freigegeben unbeladene t-RNA

13 Die Form und damit die Funktion der Aminoacyl t-RNA Synthetase entsteht durch die Aneinanderreihung der „richtigen“ Aminosäuren Die Form und damit die Funktion eines jeden Enzyms entsteht durch die Aneinanderreihung der „richtigen“ Aminosäuren !

14 Technisches Formgebungsproblem „Zahnrad“
Durch die Aneinanderreihung der „richtigen“ Längen und Winkel eines Polygonzuges entsteht ein Zahnrad. Technisches Formgebungsproblem „Zahnrad“

15 Man stelle sich die 20 Aminosäuren als 20 verschiedene Winkelstücke vor, die zu einer Gelenkkette aneinandergekoppelt werden können.

16 Aufbau einer Gelenkkette mit Rechteckaussparung
Signalmolekül Aufbau einer Gelenkkette mit Rechteckaussparung

17 Aminosäuren: Matrix der paarweisen Interaktionsenergien
ALA CYS ASP GLU PHE GLY HIS ILE LYS LEU MET ASN PRO GLN ARG SER THR VAL TRP TYR ALA 0,18 -0,01 0,12 0,62 -0,76 0,40 -0,47 -0,92 0,28 -0,61 -0,87 0,28 0,34 0,31 0,08 0,06 -0,09 -0,63 -0,76 -0,77 CYS -0,01 -0,27 0,26 -0,15 -1,45 0,12 -1,37 -0,56 0,11 -0,67 -1,52 0,12 0,45 -0,77 -1,40 -0,27 0,12 -0,75 -1,48 -0,90 ASP 0,12 0,26 0,86 0,16 0,11 0,40 -1,37 0,39 -0,09 0,92 0,14 0,24 1,17 0,29 -0,89 0,19 -0,25 0,35 -0,27 -0,29 GLU 0,62 -0,15 0,16 -0,57 -0,30 1,06 -0,76 0,57 -0,84 0,42 0,08 0,00 0,50 -0,12 -0,76 0,23 -0,08 0,57 -0,65 -0,56 PHE -0,76 -1,45 0,11 -0,30 -1,65 -0,03 -1,27 -1,60 0,05 -1,43 -1,52 -0,22 0,27 -0,31 -0,81 -0,37 -0,90 -1,23 -1,46 -0,89 GLY 0,40 0,12 0,40 1,06 -0,03 0,00 0,15 0,01 0,63 0,09 -0,32 0,62 0,36 0,26 -0,18 0,44 0,40 0,06 -0,70 0,24 HIS -0,47 -1,37 -1,37 -0,76 -1,27 0,15 -0,95 -0,04 0,72 0,29 -1,20 -0,49 -0,28 -0,38 -0,42 -0,26 0,11 0,24 -1,38 -0,83 ILE -0,92 -0,56 0,39 0,57 -1,60 0,01 -0,04 -1,49 0,20 -1,49 -1,60 0,15 0,44 0,21 0,05 0,15 -0,39 -1,34 -1,48 -0,85 LYS 0,28 0,11 -0,09 -0,84 0,05 0,63 0,72 0,20 1,13 0,28 0,48 0,54 0,91 0,31 1,18 0,61 0,15 0,77 -0,24 -0,57 LEU -0,61 -0,67 0,92 0,42 -1,43 0,09 0,29 -1,49 0,28 -1,33 -1,11 0,26 0,46 0,19 -0,28 0,15 -0,13 -1,09 -1,07 -0,71 MET -0,87 -1,52 0,14 0,08 -1,52 -0,35 -1,20 -1,60 0,48 -1,11 -1,51 -0,81 -0,04 0,72 -0,77 0,08 -0,63 -1,10 -1,91 -0,88 ASN 0,28 0,12 0,24 0,00 -0,22 0,62 -0,49 0,15 0,54 0,26 -0,81 -0,25 0,56 -0,30 0,06 -0,20 0,18 0,23 -0,49 -0,59 PRO 0,34 0,45 1,17 0,50 0,27 0,36 -0,28 0,44 0,91 0,46 -0,04 0,56 0,77 -0,51 -0,25 0,48 0,63 0,07 -0,58 -0,53 GLN 0,31 -0,77 0,29 -0,12 -0,31 0,26 -0,38 0,21 0,31 0,19 0,72 -0,30 -0,51 0,20 -0,30 0,80 0,00 0,00 0,05 -1,04 ARG 0,08 -1,40 -0,89 -0,76 -0,81 -0,18 -0,42 0,05 1,18 -0,28 -0,77 0,06 -0,25 -0,30 -0,64 -0,26 0,48 0,08 -1,00 -1,01 SER 0,06 -0,27 0,19 0,23 -0,37 0,44 -0,26 0,15 0,61 0,15 0,08 -0,20 0,48 0,80 -0,26 -0,06 -0,05 0,11 -0,23 -0,28 THR -0,09 0,12 -0,25 -0,08 -0,90 0,40 0,11 -0,39 0,15 -0,13 -0,63 0,18 0,63 0,00 0,48 -0,05 -0,26 -0,31 -0,10 -0,36 VAL -0,63 -0,75 0,35 0,57 -1,23 0,06 0,24 -1,34 0,77 -1,09 -1,10 0,23 0,07 0,00 0,08 0,11 -0,31 -1,26 -1,13 -0,67 TRP -0,76 -1,48 -0,27 -0,65 -1,46 -0,70 -1,38 -1,48 -0,24 -1,07 -1,91 -0,49 -0,58 0,05 -1,00 -0,23 -0,10 -1,13 -1,04 -0,63 TYR -0,77 -0,90 -0,29 -0,56 -0,89 0,24 -0,83 -0,85 -0,57 -0,71 -0,88 -0,59 -0,53 -1,04 -1,01 -0,28 -0,36 -0,67 -0,63 -0,40

18 Technisches Formgebungsproblem und biologisches Formgebungsproblem
Zahnradfertigung Proteinfaltung Technisches Formgebungsproblem und biologisches Formgebungsproblem

19 Mit DNA Rechnen

20 Der HAMILTON-Weg Vom Start zum Ziel darf jeder Knoten des Graphen nur einmal durchlaufen werden. Lenonard M. Adleman ADLEMANs Experiment

21 Die Lösung

22 Strategie zur Konstruktion eines HAMILTONschen Weges
Gegeben sei ein Graph mit n Knoten: 1. Erzeuge eine Menge zufällig bestimmter Wege durch den Graphen. 2. Für alle Wege in dieser Menge: a) Überprüfe, ob der Weg mit dem Startknoten beginnt und mit dem Zielknoten endet. Falls nicht, entferne den Weg aus der Menge. b) Überprüfe, ob der Weg genau n Knoten enthält. Falls nicht, entferne den Weg aus der Menge. c) Überprüfe, ob außer Start- und Zielknoten auch jeder andere Knoten des Gra- phen im Weg enthalten ist. Falls nicht, entferne den Weg aus der Menge. 3. Wenn die Menge nicht leer ist, melde, dass ein HA M I LTON-Weg existiert; wenn sie leer ist melde, dass es keinen gibt !

23

24 Trier Basismoleküle Aalen Celle Gotha Städte-Code Verbindungsmoleküle
Ziel Aalen Städte-Code Celle Gotha Trier Start Verbindungsmoleküle Basismoleküle

25 Trier Gotha Gotha Aalen

26 Die Basis-DNA-Se-quenzen kommen in das Reaktionsgefäß

27 Kettenbildungen !

28 Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)

29 Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)

30 Aalen Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)

31 Gel-Elektrophorese Anode Kathode DNA-Probe Langes Fragment Kurzer Weg
Kurzes Fragment Langer Weg

32 Affinitätssektion

33 Affinitätssektion

34 ADLEMANs Experiment hat 7 Tage gedauert

35 DNA C Programmiersprache für DNA-Computing (Steven Carroll)
Tube Declarations Ex: tube t<|8|>; tube tube_array[3]<|8|>; tube t no length; // illegal Bit Logic Operations Ex: t<|3|> = t<|5|> ^ t<|6|>; t<|2|> = t<|3|> | t<|i|>; t<|0|> = t<|I|> & t<|I+1|>; t<|5|> = !t<|2|>; Tube Initialisation Ex: t1 init 3; Tube Combinations Ex: t1 <- t2; t3 = t1 + t2; t1 += t2; Bit Assignment Ex: t<|I|> = (A > 35); t<|0|> = 0; t<|1|> = 1; Tube Moves Ex: t1 = t2; Bit Copy Ex: t<|3|> = t<|5|; Tube Separation Ex: t src<|bit|> -> t on : t off; DNA C Programmiersprache für DNA-Computing (Steven Carroll)

36 Beipiel für eine „tube separation“
SAT-Problem extrahiere x=0 extrahiere z=1 Erfüllbarkeitsproblem (Satisfiability Problem) kombiniere x=0 z=1 1 extrahiere y=0 extrahiere x=1 kombiniere x=1 y=0 2 Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr ? extrahiere z=0 extrahiere y=1 kombiniere y=1 z=0 1 2 3 Lösung 3

37 Logische Funktion a b a v b a b a b v a ¬ a 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
a ¬ a 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 „oder“ „und“ „nicht“ Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr (=1) ? Erfüllbarkeitsproblem

38 Beipiel für eine „tube separation“
SAT-Problem extrahiere x=0 extrahiere z=1 Erfüllbarkeitsproblem (Satisfiability Problem) kombiniere x=0 z=1 1 extrahiere y=0 extrahiere x=1 kombiniere x=1 y=0 2 Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr ? extrahiere z=0 extrahiere y=1 kombiniere y=1 z=0 1 2 3 Lösung 3

39 Elektronische Informationsverarbeitung Molekulare Informationsverarbeitung

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41 Der DNA Chip

42 1 Glas-Objektträger mit Mikroarray:
Messpunkte (Spots) mit individuellen DNA-Oligomeren bekannter Sequenz DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

43 2 Hybridisierung: Unbekannte DNA-Probe Kontroll-DNA
Fluoreszenzmarkierung Hybridisierung: Unbekannte DNA-Probe Kontroll-DNA DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

44 3 Waschen: Falsch gepaarte DNA-Stränge werden herausgewaschen
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

45 4 Laserkamera: Orange Mischfarbe, wenn Kontroll- und Probe-DNA iden-
tisch, sonst rote oder grüne Spots DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

46 5 Auswertung: Auswertung der Spotfarben mit Hilfe eines Computers
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

47 Auslesen eines DNA-Chips

48 Ende