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

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

2 Schlüssel / Schloss in der Technik

3 Schlüssel / Schloss in der Biologie Pepsinogen Pepsin Komplex aus 44 Aminosäuren pH > 5 pH < 5 ! Verdauungsenzym inaktiv aktiv ! Magensäure pH = 2 Schloss Schlüssel zugeschlossen aufgeschlossen

4 Wie stellt die Natur ihre Werkstücke (Schlüssel-Schloss-Moleküle) her ?

5 Konstruktionszeichnung – Gestern

6 Realisation – Gestern

7 Konstruktionszeichnung – Heute Autocad

8 Realisation – Heute Vielleicht auch über Autocad konstruiert 3D-Drucker Industrieroboter

9 Konstruktionszeichnung und Realisation in der Biologie Desoxyribonukleinsäure (DNA-Doppelhelix) Protein (Aminosäurekette)

10 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 Statt der 2 Symbole 0 und 1 in Autocad

11 Schlüssel-Schloss-Prinzip – Basenpaarung

12 Der Genetische DNA-Code A C G

13 Realisierung der genetischen Information Aminoacyl t-RNA Synthetase Bei der RNA ist Thymin durch Uracyl ersetzt Montageplattform T C A Ablesewerkzeug Enzym 2 Enzym 1 Enzym 4 Enzym 3

14 Phenylalanin t-RNA A A G Akzeptor für Aminosäure

15 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 A

16 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 !

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

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

19 Aufbau einer Gelenkkette mit Rechteckaussparung Signalmolekül A8-A11-A17-A19-A19-A8-A18-A7-A15-A18-A18-A7-A14-A4-A16-A10-A20-A17-A9- A5-A8-A2 Wozu der lange Rest ? Zur Feineinstellung !

20 Proteinfaltung Zahnradfertigung Technisches Formgebungsproblem und biologisches Formgebungsproblem Lösung durch Ingenieurskunst Lösung durch Evolution

21 Mit DNA Rechnen

22 Der H AMILTON -Weg Vom Start zum Ziel darf jeder Knoten des Graphen nur einmal durchlaufen werden. A DLEMAN s Experiment mit seinem TT-100 Lenonard M. Adleman William Rowan Hamilton ( ) 100 Mikroliter TestTube

23 Die Lösung

24 Strategie zur Konstruktion eines H AMILTON schen Weges Gegeben sei ein Graph mit n Knoten: 1. Erzeuge eine (große) 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 !

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

27 Trier Gotha Aalen

28 Die Basis-DNA-Se- quenzen kommen in das Reaktionsgefäß Enzym

29 Kettenbildungen ! Zur Strategie

30 Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR) DNA-Vermehrung durch ein flankierendes Oligonukleotid (Primer) Erhitzen auf knapp 100° C Enzym Polymerase Zur Strategie

31 Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR) DNA-Vermehrung durch zwei flankierende Oligonukleotide (Primer) Erhitzen auf knapp 100° C

32 Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR) Aalen Zur Strategie DNA-Vermehrung durch zwei flankierende Oligonukleotide (Primer)

33 Gel-Elektrophorese DNA-Probe Anode Kathode Langes Fragment Kurzer Weg Kurzes Fragment Langer Weg Zur Strategie

34 Affinitätsselektion Zur Strategie

35 Affinitätssektion Zur Strategie Man fischt alle Stränge heraus, die Celle enthalten. Aus dieser Menge fischt man alle Stränge heraus, die Gotha enthalten. …

36 A DLEMAN s Experiment hat 7 Tage gedauert Zur Strategie

37 Input input(tube t) Input definiert eine Eingabe, mit der im Folgenden gearbeitet werden kann. Detect detect(tube t) Detect testet, ob in einer Lösung noch DNA-Moleküe vorhanden sind und liefert True bzw. False zurück. Damit entspricht Detect der kombinierten Anwendung von PCR und Elektrophorese. Amplify amplify(tube t) to (tube t1) and (tube t2) Die Amplify Operation erzeugt zwei Kopien einer Lösung und entspricht damit reiner Anwendung der PCR. Merge merge(tube t1, tube t2) Merge liefert die Vereinigung zweier Mengen zurück, entspricht damit dem Vermischen zweier Lösungen. Seperate +(tube t, word w) Die normale Plus-Seperate Operation liefert all die Wörter aus der Menge t zurück, die den Teilstring w enthalten. Es entspricht dem Filtern einer Lösung mittels magnetischer Partikel. (tube t, word w) Das Minus-Seperate arbeitet analog und liefert all die Wörter, die nicht den Teilstring w enthalten. L(tube t, int n) L-Seperate liefert alle Wörter zurück, die kürzer als der Parameter n sind. Das entspricht der Auftrennung nach Länge mittels Gelelektrophorese. B(tube t, word w) Das B liefert alle Wörter zurück, die mit w beginnen. E(tube t, word w) Analog liefert E alle Wörter zurück, die auf w enden. Beiden entspricht PCR mit den jeweiligen Primern. Programmiersprache für DNA-Computing Quelle: Ralf Eggeling DNA computing

38 Beispiel 1: (1) input(N) (2) N = +(N0,A0) (3) N = +(N0,G0) (4) detect(N) Beispiel 2: (1) input(N) (2) amplify(N) to N1 and N2 (3) NA = +(N01,A0) (4) NG = +(N02,G0) (5) N0A = (NA,0 G0) (6) N0G = (NG,0 A0) (7) N = merge(N0A,N0G) Beispiel 3: (1) input(N) (2) N = B(N, s0) (3) N = E(N, s6) (4) N = L(N, 140) (5) for(i = 1; i < 6; i++) { N = +(N, si) } (6) detect(N) Das einfache Beispiel 1 liefert all die Wörter aus der Eingabemenge zurück, die sowohl A als auch G enthalten. Der Algorithmus in Beispiel 2 realisiert ein ausschließendes Oder. Er liefert alle Wörter zurück, die entweder ein A oder aber ein G enthalten, aber nicht beides. Beispiel 3 ist eine formale Schreibweise von Adlemans Experiment. Quelle: Ralf Eggeling DNA computing Programm-Beispiele

39 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 ? Beispiel für eine tube separation Statt mit den 4 Erbbuchstaben G A T C arbeiten wir nur mit den 2 Computerzeichen 0 und 1

40 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

41 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 ? Beispiel für eine tube separation

42 Elektronische Informationsverarbeitung Molekulare Informationsverarbeitung Die Aufgabe ist schwierig. Eine echt harte Nuss. Eine Primfaktorzerlegung einer solch großen Zahl, das kann doch kein Mensch im Kopf rechnen! Also schnell das Reagenzglas gegriffen, ein paar Tropfen aus der roten und der gelben Pipette mit der klaren Flüssigkeit gemischt und das Ganze auf den Gelfilm geträufelt. Ah! Eine Primzahl, na da hätte man ja lange suchen können. So könnte es sich in Zukunft zutragen, wenn schnell mal... Eine Vision aus dem Internet

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44 Kilobyte (kB)10 3 Byte = Byte Megabyte (MB)10 6 Byte = Byte Gigabyte (GB)10 9 Byte = Byte Terabyte (TB)10 12 Byte = Byte Petabyte (PB)10 15 Byte = Byte Exabyte (EB)10 18 Byte = Byte Zettabyte (ZB)10 21 Byte = Byte Yottabyte (YB)10 24 Byte = Byte Die Organisation und Komplexität aller Lebewesen basiert auf einer Codierung mit vier verschiedenen Basen im DNA-Molekül. Dadurch stellt die DNA ein Medium dar, welches für die Datenverarbeitung perfekt geeignet ist. Nach verschiedenen Berechnungen würde ein DNA-Computer mit einer Flüssigkeitsmenge von einem Liter und darin enthaltenen sechs Gramm DNA eine theoretische Speicherkapazität von 3072 Exabyte ergeben. Auch die theoretisch erreichbare Geschwindigkeit wegen der massiven Parallelität der Berechnungen wäre enorm. Pro Sekunde ergeben sich etwa 1 Million Tera-Operationen, während die leistungsfähigsten Computer heute gerade mal eine Tera-Operation pro Sekunde erreichen. 1 Byte (Oktett) = 8 bit 3 Zettabyte = Datenmenge, die die Menschheit bisher angesammelt hat

45 Prinzip Biochip Schlüssel-Schloss-Array Bis zu verschiedene Gruppen von Negativ-Molekülen auf Unterlage fixiert. Markierte Positiv-Moleküle Je 10 Mill. Moleküle Werden diese von einer der verschiedenen Gruppen gleicher Moleküle erkannt ?

46 Der DNA Chip

47 Glas-Objektträger mit Mikroarray: Messpunkte (Spots) mit individuellen einzelsträngigen DNA-Stücken bekannter Sequenz DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis 1

48 Hybridisierung: Unbekannte DNA-Probe Kontroll-DNA DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis 2 Fluoreszenzmarkierung Angekoppelte Fluorophore

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

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

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

52 Auslesen eines DNA-Chips

53 Die einzelnen Felder des Microarray sind mit einzelsträngigen DNA-Stücken beschichtet. Durch Zugabe der mit einem roten und grünen Fluoreszenzfarbstoff markierten Untersuchungsproben binden diese bei komplementärer Basenabfolge an die DNA im Chip. Die Position, Intensität und Wellenlänge der entstehenden Mischfarbe werden mit einer hochauflösenden Laserkamera de- tektiert und liefern Informationen über Unterschiede in der Expression der Gene zwischen den beiden Proben, z. B. in verschie- denen Organbereichen.

54 Ende

55 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 !

56 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 !

57 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 !

58 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 !

59 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 !

60 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 !

61 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 !

62 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 !


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