20.

Themenfolge der Vorlesung 1. Grenzleistung elementarer biologischer Sensoren 2. Integrierte (exotische) Sensorsysteme in der Natur 3. Der Biosensor als bionisch/biotechnologisches Zwittersystem 4. Ungewöhnliche Biosensoren nach dem Vorbild der Natur 5. Signalwandlung und Signalverarbeitung in Biosensoren 6. Das Neuron als analog/digitales Rechenelement 7. Die Inhibition – Leistung einer elementaren Neuronenschaltung 8. Struktur und Arbeitsweise Neuronaler Netzwerke 9. Rechnen mit Molekülen (DNA-Chips und DNA-Computing)

Grenzleistungen biologischer Rezeptoren Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung Bionik II (Biosensorik / Bioinformatik) Grenzleistungen biologischer Rezeptoren Chemorezeptor, Photorezeptor, Mechanorezeptor

Leistung eines Chemorezeptors

Molekülfänger eines Seidenspinnermännchens Molekülkescher Antenne Molekülfänger eines Seidenspinnermännchens

Wird im Experiment ein Schmetterlingsmännchen 1 s lang von einem Duftstrom mit 2 000 Bombykolmolekülen/cm3 und einer Windgeschwindigkeit von 60 cm/s angeblasen, so löst dies einen Suchflug windaufwärts aus. Im Freien tastet das Männ-chen chemisch die Geruchsfahne ab, kehrt immer wieder in den Luftstrom höchster Duftmoleküldichte zurück und findet so das Weibchen. Durch diese Chemotaxis kann ein Männchen auf 1 km Entfernung ein Weibchen z. B. in 12 min finden. Bis zu 10 km weite Suchflüge sind möglich. Zahl der Moleküle pro Kubik-zentimeter Luft = 2,687· 1019 27 Trillionen Geruchsfahne Käfig mit 12 min 1 km

Sexuallockstoff Bombykol CH C OH H Seidenspinnerweibchen Adolf Butenandt 1903 - 1995 Sexuallockstoff Bombykol Seidenspinnerweibchen Der Nobelpreisträger Adolf Butenandt benötigte 17 Jahre und 750 000 Seiden-spinnerweibchen, um 1959 die chemische Struktur von Bombykol aufzuklären. CH 2 C OH 3 H Synthetische Herstellung mit Markierung durch Tritium möglich (Tritium = radioaktiver Wasserstoff mit 2 Neutronen im Kern)

# Luftstrom mit Tritium markiertem Bombykol zunehmender Konzentration Schwirr-Reaktion Zahl der absorbier-ten Moleküle über den radioaktiven Zerfall ≈ 300 # Gesamtzahl der Rezeptoren = 30 000

Kontrollexperiment zur Bestimmung der Riechschwelle Anstechen mit einer Mikroelektrode Riechsensillen

Aufbau einer Mikroelektrode Als Elektroden verwendet man Glaskapillar-Mikroelek-troden. Dies sind hauchdünn ausgezogene Glaskapil-laren, in die ein Silberdraht hineinführt, der im Innern der Kapillare mit einer Schicht von Silberchlorid über-zogen ist. Der Innenraum der Glaskapillare ist mit einer konz. KCl-Lösung gefüllt (sog. Elektrolytsäule). Sobald die feine Kapillarspitze durch die Membran ein-gedrungen ist, steht das Cytoplasma der Zelle über jene dünne Elektrolytsäule mit dem Silberdraht in Verbin-dung. Das Membranpotential wird also immer als intra-zelluläres Potential relativ zum extrazellulären Potential angegeben. Das extrazelluläre Potential ist willkürlich als Null definiert.

Einmoleküldetektion ! Riechsensillen Bestimmung der während eines gegebenen Zeitintervalls absor-bierten, Tritium markierten Duft-moleküle (z. B. 300). Anstechen einer Duftsinneszelle mit einer Mikroelektrode. Die Häufigkeit einer beobachteten Potenzialänderung stimmt mit der berechneten Wahrscheinlichkeit (z. B. 1/100 bei 30 000 Rezeptoren) für einen Einmolekültreffer überein. Riechsensillen Einmoleküldetektion !

~ 45 000 Riechsinneszellen Der Aal und seine Nase

Wahlapparatur für die Röhrendressur eines Aals Aal wird dressiert, nur diejenige Röhre als Versteck zu wählen, durch die der Duftstoff strömt. Duftstoff Phenylethylalkohol (Rosenduft) 12,4 cm langer Versuchsaal Aalversteck Gummiröhre Wahlapparatur für die Röhrendressur eines Aals (Harald Teichmann, 1956) Durch eine Röhre strömt Rosenduftwasser Versuchsbecken (40×25×9 cm)

Andressur des Aals mit fortschreitender Verdünnung des Duftstoffes b-Phenylethylalkohol Harald Teichmann: Über die Leistung des Geruchssinnes beim Aal. Z. vergl. Physiol. 42 (1959), S.206-254.

Die Schlussphase des 2. Verhaltensexperiments ─ Erreichen der Riechschwelle des Aals

Einmoleküldetektion Inhalt der Nase des 12,4 cm langen Versuchsaals: 0,30 mm3 Rechnerisch befindet sich im Aalnasenvolumen nur ein halbes Molekül Einmoleküldetektion

Formel zur Berechnung der Molekülzahl MZ pro cm3 Substanzmenge [g] × Avogadrozahl MZ = Molmasse [g] × Volumen [cm3 ] Avogadrozahl = 6,022 · 1023 Riechschwelle Aal: 1766 Moleküle / cm3 Wasser

! Grenzempfindlichkeit der Aalnase veranschaulicht b-Phenylethylalkohol Grenzempfindlichkeit der Aalnase veranschaulicht 0,1 g 1/5 Tropfen C8H10O !

Biosensor Hundenase Rauschgift-Spürhund Brandmittel-Spürhund Lawinenhund Sprengstoff-Spürhund Biosensor Hundenase

,Ein kurzes Schnuppern mit der Hundenase, und die Diagnose steht fest ,Ein kurzes Schnuppern mit der Hundenase, und die Diagnose steht fest. Mit ihren verblüffenden Riechkünsten sollen die Vierbeiner mehreren Studien zufolge Krebs erschnüffeln können - und zwar am Atem der Patienten. Das Aufsehen erregende wissenschaftliche Werk basiert auf einer seit langem anerkannten Theorie – Tumore enthalten Benzol sowie winzige Spuren alkalischer Derivate, die in gesundem Gewebe nicht vorkommen. Und diese Substanzen können darauf trainierte Hunde erschnüffeln. Studien-Fazit also: Hunde riechen, wenn ein Mensch Krebs hat. Wobei Lungenkrebs im Mittelpunkt dieser wissenschaftlichen Betrachtungen der Pine Street Foundation in Marin County California steht. Faszinierend die Erfolgszahl der Vierbeiner: Sie lagen in 99 Prozent der Fälle richtig.

 2000 Moleküle/cm3 Ehemalige Cargolifter-Halle: Länge: 360 m Breite: 210 m Höhe: 107 m Volumen: 5,5 Millionen m3 Jetzt „Tropical Island“ 1,6 Millionstel Gramm Buttersäure in der Halle kann ein Hund noch riechen !  2000 Moleküle/cm3

Anzahl der Riechsinneszellen Hundenase Anzahl der Riechsinneszellen

Gewinnt immer noch die Hundenase ! Gaschromatograph kontra Hundenase

Chemosensoren des Geschmacks Süß – ausgelöst durch Zucker und Zuckerderivate sowie einige Aminosäuren, Peptide oder Alkohole und Süßstoffe Salzig – ausgelöst durch Speisesalz wie durch einige andere Mineralsalze Sauer – ausgelöst durch Saure Lösungen und organische Säuren Bitter – ausgelöst durch eine Vielzahl verschiedener Stoffe (Bitterstoffe) Umami – ausgelöst durch die Aminosäuren Glutaminsäure und Asparaginsäure (Geschmacksverstärker) Chemosensoren in den inneren Organen des Menschen Chemosensoren der Leber, die den Glukosespiegel registrieren Chemosensoren im Glomus caroticum und im Glomus aorticum, die einen Sauerstoffmangel (Hypoxie) registrieren. Chemosensoren im Atemzentrum im verlängerten Rückenmark (Medulla oblongata), die den Blut-pH und den pCO2 (Kohlendioxid-Partialdruck) messen.

Leistung eines Photorezeptors

n ≈ 60 Photonen /s Minimale Reizenergie ≈ 2·10 -17 J 100 W = 100 J/s Pupille: A = 0,5 cm 2 3·10 20 Photonen/s Annahme: Nur 2% der von der Glühlampe ausgesendeten Photonen liegen im maximalen Empfindlichkeitsbereich des Auges (um 550 nm). Pupilleneintrittsfläche Kugeloberfläche n0= 6·1018 Photonen /s Gilt nur im Weltraum: Bei sehr klaren Wetterbedingungen wird die Intensität eines Lichtstrahls pro 100 km auf etwa 1/3 seiner Ausgangsstärke abgeschwächt. Energie eines Photons: Plancksches Wirkungsquantum Lichtwellenlänge Lichtgeschwindigkeit

Ein Photorezeptor misst ein Lichtquant n ≈ 60 Photonen /s Ein Photorezeptor misst ein Lichtquant Von der „Schrotladung“ der 60 Photonen treffen nur 10 auf Rezeptoren der Netzhaut ! Photorezeptor des Pfeilschwanzkrebses reagiert ebenfalls auf ein Lichtquant Der Pfeilschwanzkrebs gilt als lebendes Fossil, da er sich seit 175 Millionen Jahren morphologisch kaum verändert hat

Leistung eines Mechanorezeptors

Das Vater-Pacini-Körperchen reagiert auf Eindellungen der Haut Das Vater-Pacini-Körperchen reagiert auf Eindellungen der Haut. Das bedeutet, dass es besonders auf Druck reagiert. Das Vater-Pacini-Körperchen liegt im Übergangsbereich von Lederhaut und Unterhaut. Das Meissner-Körperchen rea-giert empfindlich auf Berührung. Es ist besonders zahlreich in den Fingerkuppen. Mit dem Meiss-ner-Körperchen können wir die Oberfläche und die Ausdehnung von Gegenständen fühlen. Die Haarzelle reagiert auf mecha-nische Verschiebungen. Haarzel-zellen gibt es im Seitenlinienorgan der Fische, und mit Haarzellen sind wir in der Lage zu hören. Haarzellen sind die empfindlich-sten Mechanorezeptoren. Mechanorezeptoren

Empfindlichkeit einer Haarzelle 7,5 mm 150 m 0,3 nm An der Hörschwelle Mechanischer Schub 0,1 nm Wasserstoffatom 5 μm 10 mV Empfindlichkeit einer Haarzelle

Mensch: Vergleich Auge / Ohr Entspricht der Energie von 60 Photonen (550 nm) Minimale Reizenergie ≈ 2 · 10 -17 J Minimale Reizenergie ≈ 5 · 10 -18 J

Thermorezeptor Hygrorezeptor Elektrorezeptor Magnetorezeptor Thermorezeptor Hygrorezeptor Elektrorezeptor Magnetorezeptor Chemorezeptor Photorezeptor Mechanorezeptor

Wie funktioniert ein biologischer Rezeptor ? Wie erklärt sich die unglaublich hohe Empfindlichkeit ?

- 70 mV Ruhepotential einer Nervenzelle

Wie entsteht ein Ruhepotenzial ?

Nerven- und Sinneszellenpotenziale entstehen Tiefe überhöht dargestellt ! Nerven- und Sinneszellenpotenziale entstehen durch Ionenströme, die durch veränderliche Po- ren der Zellmembran fließen. Um die Zahlenver- hältnisse der beteiligten Ionen zu veranschauli- chen, wird eine Volumenelement betrachtet. Die Zellmembran teilt dieses Volumen in zwei gleich große Hälften von 1 µm Breite, 1 µm Höhe und 0,001 µm Tiefe.

0 mV 100000 + 10000 2200 107800 + K Na Cl A + 2000 108000 110000 Gedachte Anfangszustand Im intrazellulären Testvolumen von 10 -12 mm3 befinden sich 100 000 + 6 Kaliumionen, 10 000 Natriumionen, 2 200 Chloridionen und 107 800 + 6 negativ geladene Aminosäuremoleküle. Das gleich große extrazelluläre Testvolumen enthält 2 000 Kaliumionen, 108 000 Natriumionen und 110 000 Chloridionen. Wir messen die Span- nungsdifferenz 0 V.

Die Zellmemran besitzt Poren, durch die die Ka- Zum Anfangszustand Die Zellmemran besitzt Poren, durch die die Ka- liumionen hindurchgelassen werden. Wegen der Konzentrationsdifferenz beginnen Kaliumionen nach außen zu diffundieren. Es baut sich eine elektrische Gegenkraft auf. Bei 6 aus dem Test- volumen herausdiffundierten Kaliumionen ist die- se Gegenkraft im Gleichgewicht mit der Diffusi- onskraft. Wir messen eine Spannung von -90 mV.

Die Zellmembran besitzt einige Poren, durch die Zum Anfangszustand Ohne diese Pumpe stirbt die Zelle Die Zellmembran besitzt einige Poren, durch die auch die größeren Natriumionen hindurchtreten können. Wegen der höheren extrazellulären Na- triumkonzentration diffundieren langsam Natrium- ionen in das Zellinnere. Deshalb fördert eine vom Stoffwechsel betrieben Natriumpumpe Natri- umionen nach außen. Es stellt sich eine neue Gleichgewichtsspannung von -70 mV ein.

Wie entsteht ein Rezeptorpotenzial ?

Ein Reiz verändert die Durchlässigkeit der Zell- Zum Anfangszustand Ein Reiz verändert die Durchlässigkeit der Zell- membran, hier die Durchlässigkeit für Natrium- ionen. Extrazelluläre Natriumionen diffundieren schlagartig in das Zellinnere. Die Spannung steigt an. Ein mechanischer Reiz könnte die Membranporen durch Deformation öffnen, ein chemischer Reiz durch Anbindung der Signalmo- leküle an Membranschlösser diese aufschließen.

Der Na-Einstrom käme erst bei einer Spannungs- Nervenimpuls Zum Anfangszustand Der Na-Einstrom käme erst bei einer Spannungs- differenz von + 60 mV zum Stillstand (10 in das Testvolumen eindiffundierte Natriumionen). Aber Durch Abnahme der elektrischen Gegenkraft, die zuvor das Ausströmen weiterer Kaliumionen ver- hinderte, diffundieren nun weitere Kaliumionen zellauswärts. Der Natrium-Ioneneinstrom kann nur eine Spannung von + 30 mV aufbauen.

Rezeptorzellen adaptieren, wenn der Reiz länger Zum Anfangszustand Rezeptorzellen adaptieren, wenn der Reiz länger anhält. Der Natriumioneneinstrom wird gesperrt, und der intrazelluläre Überschuss an Kaliumionen stellt das Ruhepotential von -70 mV wieder her. Die in die Zelle eindiffundierten Natriumionen und die aus der Zelle gelangten Kaliumionen werden durch eine stoffwechselgetriebene gekoppelte Na- trium-Kalium-Pumpe wieder zurücktransportiert.

Wie funktioniert eine Riechsinneszelle

V Ein etwas zu simples mechanisches Modell eines Riechrezeptors Membran Signalmolekül Rezeptor V Ionen Ein etwas zu simples mechanisches Modell eines Riechrezeptors

Phenomenologisches Modell der Geruchserkennung Wir empfinden vielleicht kugelförmige Moleküle als kampferartig, scheibenförmige Moleküle als moschusartig, keilförmige Moleküle als pfefferminzartig, stabförmige Moleküle als ätherartig, u.s.w.

Die Kunst des Molekül-Fangens und der Messung dieses Ereignisses !

Einmolekülmessung durch Synthese einer Katalysatorkaskade 10 000 Katalysator y n t h e s S 100 Signalmolekül Katalysator y n t h e s S 1 Katalysator Rezeptor Abstraktes Modell: Einmolekülmessung durch Synthese einer Katalysatorkaskade

Einmolekülmessung durch Aktivierung einer Enzymkaskade 10 000 Enzym 3* Enzym 3 k u t i e v r A n g Signalmolekül 100 Enzym 2* Enzym 2 k u t i e v r A n g Könnte z. B. die Tore einer Membran öffnen 1 Konformationsänderung Rezeptor Enzym 1 Abstraktes Modell: Einmolekülmessung durch Aktivierung einer Enzymkaskade

Reales Modell des Riechens mit molekularer Kaskaden-Verstärkung Duftstoff AC = Adenylcyclase cAMP = cyclo-Adenosinmonophosphat

Vom Duft zum elektrischen Signal Winzige Spuren eines Duftstoffs genügen, schon nehmen wir die Witterung auf. Wie schafft es das Gehirn, wenige Moleküle wahrzunehmen? Um diesen Vorgang zu verstehen, muss man ins Innere der Zelle vordringen. Das Geruchssignal wird hier kaskadenförmig verstärkt. Das geschieht in mehreren Schritten: Zunächst dockt der Geruchsstoff an der Riechzelle an. Sein Anker ist ein Rezeptor, ein längliches Eiweißmolekül, das sich durch die Zellhaut (Membran) hindurchschlängelt. Das Geruchsmolekül aktiviert den Rezeptor, die Kaskade beginnt. Der Rezeptor spaltet ein G-Protein im Inneren der Zelle (Schritt zwei). G-Proteine sind Eiweißmoleküle, die als „reitende Boten“ in der Zelle eine zentrale Rolle spielen. Das G-Protein kurbelt (Schritt drei) ein Enzym namens AC an, das seinerseits massenhaft Boten-Moleküle namens cAMP produziert (Schritt vier). Dann dockt cAMP an Ionenkanälen in der Zellhaut an (Schritt fünf). Das cAMP fungiert wie ein Schleusenwärter, der die Kanäle öffnet. Das führt dazu, dass elektrisch geladene Teilchen (Ionen) in die Zelle einströmen. Das elektrische Potenzial der Zellmembran ändert sich schlagartig. Aus dem chemischen ist auf diese Weise ein elektrisches Signal entstanden – die im Gehirn „gängige Währung“ der Informationsübertragung.

Wie funktioniert eine Lichtsinneszelle

cGMP inaktives cGMP R R T T PDE PDE 3000 1 2000 Problem Rückreaktion Licht überführt den Sehfarbstoff Rhodopsin (R) in seine enzy-matisch aktive Form (R*). Ein aktiviertes R* aktiviert 3000 Trans-ducin-Proteine (T*). Diese Form des Transducins aktiviert das Enzym Phosphodiesterase (PDE*). Ein Molekül der PDE* wiederum ist in der Lage, 2000 cyclo-Guanosinmonophosphat-Moleküle (cGMP) zu inaktivieren. In zwei Stufen erreicht die Kaskade theoretisch einen Verstärkungsgrad von 6 Millionen.

Photon R * aktiviertes Rhodopsin hält Ionentore geschlossen -70 mV

Photon R -70 mV -30 mV

1 Photon schließt 10 6 bis 10 7 Natriumkanäle Transduktionskaskade 1 Photon schließt 10 6 bis 10 7 Natriumkanäle -30 mV

Wiederherstellung des Ruhepotenzials Photon R* -70 mV Wiederherstellung des Ruhepotenzials Verkürzt dargestellt ! Siehe genauer: „Wie entsteht ein Rezeptorpotenzial“

Verstärkung durch Lawineneffekt auch in der Technik Technische Entsprechung zur Enzymkaskade Photomultiplier Dynoden Anode Photon Elektron Verstärkung durch Lawineneffekt auch in der Technik

Biochemische Verstärkungskaskade Signal Biochemische Verstärkungskaskade Enzyme

Wie funktioniert ein Haarzellensensor

- 50 mV

- 40 mV

- 30 mV

- 40 mV

- 50 mV

- 60 mV

- 70 mV

- 60 mV

- 40 mV

Die mechanische Funktion erklärt die gestaffelte Länge der Sinneshärchen. Nach links geschert verringern sich die Abstände der Haarspitzen, nach rechts geschert vergrößern sie sich.

Ende www.bionik.tu-berlin.de