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

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

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

Konstruktionszeichnung – Realisation Gestern

Konstruktionszeichnung – Realisation Heute 0100011011110010110010111100101011 . .. Konstruktionszeichnung – Realisation Heute

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

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

Schlüssel-Schloss-Prinzip – Basenpaarung

Der Genetische DNA-Code

Aminoacyl t-RNA Synthetase Realisierung der genetischen Information

Akzeptor für Aminosäure G Phenylalanin t-RNA

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

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 !

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

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

Aufbau einer Gelenkkette mit Rechteckaussparung Signalmolekül Aufbau einer Gelenkkette mit Rechteckaussparung

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

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

Mit DNA Rechnen

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

Die Lösung

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 !

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

Trier Gotha Gotha Aalen

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

Kettenbildungen !

Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)

Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)

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

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

Affinitätssektion

Affinitätssektion

ADLEMANs Experiment hat 7 Tage gedauert

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)

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

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

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

Elektronische Informationsverarbeitung Molekulare Informationsverarbeitung

Der DNA Chip

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

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

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

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

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

Auslesen eines DNA-Chips

Ende