Bioelektronika az alapkutatásban és az alkalmazott

tudományban

D É R A N D R Á S

M T A SzB K B F I

Jelátvitel, energiaátalakítás

Fizikai jelenségek

Biológiai membránok

Elválasztó-

összekötő szerep

(lipidek-fehérjék)

Aszimmetria

Csatornák, pumpák

Nobel-díj (1963) Hodgkin, Huxley, Katz

Az idegimpulzus terjedése

Kemiozmotikus hipotézis

Peter Mitchell

Nobel-díj 1978

Mikroelektróda-technikák

A mikroelektróda technikák pumpafehjérjék vizsgálatára nem ideálisak

Patch clamp; Nobel-díj, 1991: Neher és Sackmann

Alternatív módszerek: elektromosan aszimmetrikus minta

I. Alternatív technikák

Dancsházy, Karvaly

FEBS Lett., 1976

Dér et al. 1991, PNAS

Keszthelyi, Ormos

FEBS Lett., 1980

Dér, Hargittai, Simon, 1985

Bakteriorodopszin

A kemiozmotikus

hipotézis

alátámasztása

(1974)

Modellszerep az

ionpumpáló

membránfehérjék

között

Korreláció az elektromos és optikai jelek között –

intramolekuláris eseményekről hordoznak információt

A bakteriorodopszin kinetikai jelei

Dér et al., 1985

B

i

E

ii rrr

trEqr iiiiE )(

k

k

SD

ki

B

i err

A membrán-elektrolit rendszer modellezése (Brown-dinamika)

Oroszi, Hasemann, Wolff,

Dér, 2003

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

bulk

Na+

Cl-

Concentr

ation (

a.u

.)

Time (µs)

Ionrelaxáció

Az ionrelaxáció jellemzői

1. sebesség 2. anizotrópia (F) 3. linearitás (E) 4. Függetlenség a

geometriától (B,C,D)

)(~)( txdt

dt i

i

k

i

k

ki

tktku )()(

Makroszkopikus jelekből molekuláris dipólváltozások!

k

0k

1k

2kkk

n qd 0

kdq

qq

q

…

…

Ludmann et al., 1998

Alkalmazás bakteriorodopszinra

A mért és számított dipólmomentumok összehasonlítása

Tóth-Boconádi et al., 2006

z

L = 1.34±0.1eÅ

Mérés:

Röntgendiffrakciós szerkezetek

Példák a módszer további alkalmazásaira

Ionpumpálás

(halorodopszin, bakteriorodopszin, proteorodopszin)

A fotoszintézis elsődleges folyamatai

(növényi és bakteriális reakciócentrumok)

Jelátvitel

(Chlamydomonas rodopszin, squid rodopszin)

3D elektromos jelek mérése

Dér et al. (1999)

Mérés MD modell

MD modellek tesztelése

Dér et al. (1999)

Közel-atomi szintű leírás

Génsebészettel, kémiai, fizikai módosítással tetszés szerint

alakíthatjuk

Halorodopszin (1977)

Bakteriorodopszinból Cl-pumpa: Dér et al. (1989, 1991),

Lanyi et al., Bamberg et al. (1997)

Mikrobiális rodopszinok

Proteorodopszin (2000)

Optogenetika

Agykutatás (neuronhálózatok in-vivo

vizsgálata)

Neurológiai és pszichiátriai kórképek

(Parkinson-kór epilepszia, depresszió,

skizofrénia)

Vakság gyógyítása (retinitis

pigmentosa, makuladegeneráció)

Izomsejtek, -szövetek szelektív

gerjesztése

Irányított sejtmotilitás

„Brain

Prize”

(2013)

Az év

módszere

(2010)

II. Bioelektronikai alkalmazások

Keck Center for Molecular

Electronics at Syracuse

University

Institute of Physical Chemistry

University of Marburg

(bR-alapú száraz filmek)

Integrált fotonika

“Szűk keresztmetszet”: megfelelő nemlineáris

optikai (NLO) kapcsolóanyagok - külső

hatásra (elektromos, mágneses tér, fény)

törésmutatóváltozás

n~5.10-3

Light on Light off

0 2 4 6 8 10

0

10000

20000

30000

40000

50000

Lig

ht in

ten

sity [a

. u

.]

Time [s]

Optikai kapcsolás

Dér et al, 2002, Dér et al. 2006

BINARY

TERNARY

Fotonikus logika és bioszenzor

Dér et al, 2011, Mathesz et al. 2013

Lens

Det

Trigger

Laser Source

800 nm

Delay

DetFiber

Waveguide

Gold

Grating

Slit

Laser Source

532 nm

Fabry-Perot*

Lens

Det

Trigger

Laser Source

800 nm

Delay

DetFiber

Waveguide

Gold

Grating

Slit

Laser Source

532 nm

Fabry-Perot*

360 380 400 420Relative time [10-1 ns]

0

0.04

0.08

0.12

0.16

Rel

. int

ensi

ty [a

u]

Peak

Measured Probe&Pump

Probe only

Pump only

I

I-BR

Ultragyors moduláció

Fábián et al, 2010, Fábián et al. 2012

<1ps

1. A bR kombinációja más fotonikus

struktúrákkal (2-D fotonikus

kristályok, plazmon hullámvezetők,

stb.)

2. A bR optikai tulajdonságainak

optimalizálása (pontmutációk,

retinál analógok)

3. Más fehérjék kipróbálása (Photo-

active Yellow Protein)

Tervek

Photoactive yellow protein (PYP)

A Biofotonika új ága?

‘Fotobionika’

Fábián, Mathesz, Dér (review) 2015

III. A víz szerepe a fehérjedinamikában

kosmotropes chaotropes

sso cK

S

Slog

"A víz a fehérjéket körülvevő mátrix,

amely biztosítja a stabilitásukat és a

flexibilitásukat egyaránt." (Philip Ball)

Hofmeister, 1888

Setchenow,

1889

A harmadik leggyakoribb molekula a

világegyetemben (a H és a CO után),

és a leggyakoribb a Földön.

Hofmeister-sor a fehérjeaktivitásra is!

A bakteriorodopszin fotociklusa

A kozmotropok általában stabilizálnak és növelik az enzimaktivitást,

a kaotropok pedig ellenkezőleg. De vannak olyan fehérjék,

amelyeknél éppen fordítva van.

Dér and Ramdsen, 1998

Mi lehet a hatásmechanizmus? További bizonyítékok a víz szerepére:

Jarvis, Scheiman, 1968

Megint a Hofmeister sor,

de nincs előjel-váltás! FTIR-mérések

Dér et al. 2007

Dér et al., J. Phys.

Chem B, 2007

Határfelületi feszültség hipotézis

(„Csepp-modell”)

kosmo

chao

if KS>0

if KS<0

Apw

linterfacia

~G

W kT

Ac Ap

Gto

tal

Apw

Következmények

P(A) exp(-E/kT)

A fluktuációk valószínűsége:

Apw: fehérje-víz határfelület

1

0

2

1: stabil zárt konformáció

2: stabil nyitott konformáció

A sófüggő fehérje-víz

határfelületi feszültség

magyarázatot ad a

Hofmeister-jelenségekre

Szalontai et al. (2013) Fluktuációk bR

Mb Hb

Dér et al. (2013) Neagu, Neagu, Dér (2001)

Pro17 Pro17

Pro18

Pro19

Pro12

Trp6

Tyr3

• 20 aminosav

• Stabil szerkezet

– Sóhíd

– Hidrofób mag

• Kísérleti leírás

• MD szimulációk

– Explicit víz,

– kozmotróp (F-),

– kaotróp (NO3-, ClO4

-)

– és Cl- ionokkal

A Csepp-modell alátámasztása

Trp-cage miniprotein

só-víz

só

víz

•Statisztikus termodinamika

MD szimulációk

A: Solvent accessible

surface area (SASA)

B: SASA-fluktuációk

Bogár, Násztor, Leitgeb, Dér, 2014

Egyezés az elméleti jóslattal!

Tervek

Összefoglaló cikk a „Current Opinion of Colloid and Interface Science” folyóiratba

Aminosavak Hofmeister-sora (Szalontai Balázs)

MD szimulációk és kísérletek erősen rendezett és rendezetlen fehérjéken (amyloid-beta,

IDPs) (Tompa Péter, Groma Géza, Bogár Ferenc, Násztor Zoltán, Leitgeb Balázs )

A határfelületi vízréteg szerepe a biológiai barrierek funkciójában (Deli Mária és mtsi.)

Lower channel (asztroglia and pericita

cells)

Upper channel (endothel cells)

silicon gum

Separating membrane with micron-sized pores

Glass plates with gold electrodes

Microfluidic inlets

Walter et al., 2015

Keszthelyi Lajos Ormos Pál

Köszönetnyilvánítás

Tanítómesterek

Bioelektronika Laboratórium

Tóth-Boconádi Rudolf Fábián László Leitgeb Balázs

Kincses András Mathesz Anna Násztor Zoltán

Kooperációs partnerek Valkai Sándor, Oroszi László, Deli Mária, Váró György, Walter Fruzsina, Zimányi László, (SzBK),

Osvay Károly, Merő Márk, Bogár Ferenc (SzTE), Deák Róbert, Derényi Imre (ELTE), Hámori András,

Serényi Miklós, Horváth Róbert (MFA), Tompa Péter (TTK), Mátyus Péter (SOTE), Iván Kristóf

(PPKE), Jeremy Ramsden (Cranfield), Elmar Wolff (Witten-Herdecke)