Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Synthetische Biologie und Nanosysteme * ausgewählte Beispiele * Vorlesungsreihe "Biophysik der Systeme" 2008-02-06

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Synthetische Biologie und Nanosysteme * ausgewählte Beispiele * Vorlesungsreihe "Biophysik der Systeme" 2008-02-06"—  Präsentation transkript:

1 Synthetische Biologie und Nanosysteme * ausgewählte Beispiele * Vorlesungsreihe "Biophysik der Systeme"

2 Ausrichtung der Forschung Sequenzierungstechnik DNA-/Gensynthese Mikrofluidik Fortschritte in Verständni s Anwendung Reduktion der Komplexität Minimale Zelle Transkriptionsbasierte Schalter und Oszillatoren de novo Design biologischer Systeme induzierbare Reaktion chemischer/optischer Stimulus selbstorganisierte Strukturen DNA/RNA als Template gerichtete Evolution Protein Engineering Erweiterung des genetischen Codes nicht-natürliche Aminosäuren logische biochemische Netzwerke molekulare Biocomputer Metabolic Pathway Engineering Synthese/Abbau chemischer Substanzen DNA Maschinen

3 Ausrichtung der Forschung Sequenzierungstechnik DNA-/Gensynthese Mikrofluidik Fortschritte in Verständni s Anwendung Reduktion der Komplexität Minimale Zelle Transkriptionsbasierte Schalter und Oszillatoren de novo Design biologischer Systeme induzierbare Reaktion chemischer/optischer Stimulus selbstorganisierte Strukturen DNA/RNA als Template gerichtete Evolution Protein Engineering Erweiterung des genetischen Codes nicht-natürliche Aminosäuren logische biochemische Netzwerke molekulare Biocomputer Metabolic Pathway Engineering Synthese/Abbau chemischer Substanzen Seminar DNA Maschinen

4 Beispiel 1: Chemotaxis in E. coli bestehender Signalweg, Sensitivität auf neuen Effektor Umdesign Signalweg

5 Chemotaxis in E. coli Topp & Gallivan, JACS 129: 6807 (2007) CheZ reguliert Dephosphorilierung von CheY: ermöglicht Rotation gegen UZS Mobilität WT CheZ geradlinige Fortbewegung Taumeln

6 Chemotaxis in E. coli Topp & Gallivan, JACS 129: 6807 (2007) Riboswitches kontrollieren die Genexpression abhängig von Liganden

7 Chemotaxis in E. coli Topp & Gallivan, JACS 129: 6807 (2007) CheZ kombiniert mit Riboswitch: Mobilität abhängig von Ligandenkonzentration

8 Chemotaxis in E. coli Topp & Gallivan, JACS 129: 6807 (2007) konzentrationsabhängige Mobilität Migration entlang Gradienten zu höherer Konzentration ("Pseudotaxis")

9 Beispiel 2: Lichtgesteuerte Expression in E. coli bestehender Signalweg, Sensitivität auf neuen Effektor Neudesign Rezeptor

10 Lichtgesteuerte Expression in E. coli Phytochrom: Chimäre aus 2 Modulen - extrazellulärer Photorezeptor (Cph1 aus Cyano-Bakterium Synechocystis) - intrazellulärer Regulator (EnvZ aus E. coli, zuständig für osmotische Regulation) Transformation in EnvZ E. coli für die Synthese von PCB in E. coli: ho1 und pcyA Gene aus Synechocystis EnvZ Cph1 onoff Levskaya et al., Nature 438: 441 (2005)

11 Lichtgesteuerte Expression in E. coli Selektion Chimäre Cph8 mit hohem hell-dunkel "Kontrast" +EnvZ Belichtungszeit: 4h bei 37°C Levskaya et al., Nature 438: 441 (2005)

12 Lichtgesteuerte Expression in E. coli räumliche Kontrolle der Genexpression Auflösung: 10 8 Bakterien (Pixel) pro square inch Levskaya et al., Nature 438: 441 (2005)

13 Beispiel 3: Gerichtete Evolution bestehendes Protein veränderte Funktionalität MutationSelektionsdruck verbesserte VarianteAusgangsprotein

14 Gerichtete Evolution Erzeugung der Bibliothek ( ) - Mutagenese einer Oligonukleotid- Kassette - fehleranfällige PCR Umklonierung in Plasmid und Transformation z.B. in E. coli Genpool Kopplung von Phenotyp und Genotyp - Affinität: Phage display oder Yeast cell display - Funktionalität: E. coli, in vitro Kompartimentisierung Selektion und Screening - Affinität: über Antigen - Funktionalität: FACS (fluorescent activated cell sorting) Antigen

15 Gerichtete Evolution in vitro Kompartimentisierung: Wasser-in-Öl-(in-Wasser) Emulsionen kleine Reaktionsvolumina: hohe Konzentration, schnelle Kinetik pro ml: hoher Durchsatz Selektionsdruck frei wählbar kompatibel mit Mikrofluidik, FACS: 10 7 pro h Mastrobattista et al., Chem. Biol. 12: 1291 (2005)

16 Gerichtete Evolution: Anwendungen typischerweise 6-12 Runden Biokatalysatoren - veränderte Substratspezifität - veränderte/verbesserte Enantioselektivität - erhöhte Aktivität (50x) in unnatürlichem Reaktionsmilieu - erhöhte Thermostabilität (+15°C) Antikörper - Affinitätssteigerung x - Affinität für neues Antigen: x schlechter als in der Natur

17 Beispiel 4: Erweiterung des genetischen Codes Einbau nicht-natürlicher Aminosäuren in Proteine

18 Erweiterung des genetischen Codes Standard-Code stellenspezifisch, cotranslational anstatt der natürlichen AS

19 Ribosomaler Einbau nicht-natürlicher Aminosäuren Wang et al., Annu. Rev. Biophys. Biolmol. Struct. 35: 225 (2006) Anforderungen: - orthogonales tRNA-Codon Paar - orthogonale aminoacyl-tRNA-Synthetase - nnAS im Cytosol

20 Ribosomaler Einbau nicht-natürlicher Aminosäuren Wang et al., Annu. Rev. Biophys. Biolmol. Struct. 35: 225 (2006) amber stop codon (UAG) supression - orthogonales tyrosyl-tRNA/tyrosyl-RS Paar aus Methanococcus janaschii - gerichtete Evolution der tRNA in E. coli mit negativ/positiv-Selektion - gerichtete Evolution der Substratspezifität der RS

21 Ribosomaler Einbau nicht-natürlicher Aminosäuren Wang et al., Annu. Rev. Biophys. Biolmol. Struct. 35: 225 (2006) Fluorescein ?

22 Beispiel 5: DNA Computing Durchführung logischer oder kombinatorischer Rechenoperationen mithilfe von DNA Sequenzen

23 DNA Computing Adleman, Science 266: 1021 (1994) Kombinatorisches Problem Hamiltonscher Pfad in Graph Existiert ein Weg von 0 nach 6, der alle Knoten genau einmal durchläuft?

24 DNA Computing Adleman, Science 266: 1021 (1994) Kombinatorisches Problem Hamiltonscher Pfad in Graph Algorithmus 1. Generation zufälliger Wege 2. Auswahl Pfade von 0 nach n 3. Auswahl Pfade mit n Knoten 4. Auswahl Pfade, die alle Knoten durchlaufen 5. "wahr" / "falsch"

25 DNA Computing Adleman, Science 266: 1021 (1994) Knoten und Kanten 20mer DNA Algorithmus 1. Ligation 2. PCR mit Primer O 0 und O 6 3. Agarose-Gel: Bande mit 140bp 4. Affinitätsselektion von ssDNA mit O 1,…,O 5 5. Probe: PCR mit O 0 / O 1, O 0 / O 2,…, O 0 / O

26 Logische biochemische Netzwerke Seelig et al., Science 314: 1585 (2006) boolsche Logik "0": niedrige Konzentration "1": hohe Konzentration inout AND

27 Logische biochemische Netzwerke Seelig et al., Science 314: 1585 (2006)

28 Logische biochemische Netzwerke Zhang et al., Science 318: 1121 (2007) Signalverstärkung - kinetisch inhibiert (Zeitskala Experiment) - Katalysator (Input) beschleunigt Reaktion um Entropie-getrieben

29 Beispiel 6: DNA Maschinen Spielerei?

30 DNA Maschinen DNA-Läufer entlang DNA-Schiene Unidirektionalität durch Zerstörung der SchieneZugabe der Treibstoffstränge in definierter Reihenfolge Restriktionsenzym Passivierung der Schiene durch Treibstoffstränge Treibstoff Abfall Yin et al., Nature 451: 318 (2008)Bath & Turberfield, Nat. Nanotech. 2: 275 (2007)


Herunterladen ppt "Synthetische Biologie und Nanosysteme * ausgewählte Beispiele * Vorlesungsreihe "Biophysik der Systeme" 2008-02-06"

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen