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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens.

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1 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 Pepsin Pepsinogen

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

4 Konstruktionszeichnung – Realisation Gestern

5 Konstruktionszeichnung – Realisation Heute

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

7 Nukleotidbasen 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 Realisierung der genetischen Information Aminoacyl t-RNA Synthetase

11 Phenylalanin t-RNA A A G Akzeptor für Aminosäure

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

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.

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

17 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 Aminosäuren: Matrix der paarweisen Interaktionsenergien

18 Proteinfaltung Zahnradfertigung Technisches Formgebungsproblem und biologisches Formgebungsproblem

19 Mit DNA Rechnen

20 Der H AMILTON -Weg Vom Start zum Ziel darf jeder Knoten des Graphen nur einmal durchlaufen werden. A DLEMAN s Experiment Lenonard M. Adleman

21 Die Lösung

22 Strategie zur Konstruktion eines H AMILTON schen 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 H A M I LTON -Weg existiert; wenn sie leer ist melde, dass es keinen gibt !

23

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

25 Trier Gotha Aalen

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

27 Kettenbildungen !

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

29

30 Aalen

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

32 Affinitätssektion

33

34 A DLEMAN s Experiment hat 7 Tage gedauert

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

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

37 Logische Funktion a b a v b v b a b a 0 1 a ¬ a 1 0 oder und nicht Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr (=1) ? Erfüllbarkeitsproblem

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

39 Elektronische Informationsverarbeitung Molekulare Informationsverarbeitung

40

41 Der DNA Chip

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

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

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

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

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

47 Auslesen eines DNA-Chips

48 Ende


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