Ingo Rechenberg Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens...

Ingo Rechenberg

Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip

Die universelle Technologie des Lebens

PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II (Biosensorik / Bioinformatik)

Schlüssel / Schloss in der Technik

Schlüssel / Schloss in der BiologiePepsinogenPepsin

Komplex aus 44 Aminosäuren

pH > 5pH < 5 !

Verdauungsenzym

inaktivaktiv !

Magensäure pH = 2

Schloss Schlüssel

zugeschlossenaufgeschlossen

Wie stellt die Natur ihre Werkstücke

(Schlüssel-Schloss-Moleküle) her ?

Konstruktionszeichnung – Gestern

Realisation – Gestern

Konstruktionszeichnung – Heute

0100011011110010110010111100101011 . ..

Autocad

Realisation – Heute

Vielleicht auch über Autocad konstruiert

3D-Drucker

Industrieroboter

Konstruktionszeichnung und Realisation

in der Biologie

Desoxyribonukleinsäure (DNA-Doppelhelix)

Protein (Aminosäurekette)

Nukleotidbasen

Adenin

Thymin

Guanin

Cytosin

A

T

G

C

Bausteine für die „Konstruktionszeichnung“

Aminosäuren

PhenylalaninLeucinIsoleucinMethioninValinSerinProlinThreoninAlaninTyrosinHistidinGlutaminAsparaginLysinAsparaginsäureGlutaminsäureCysteinTryptophanArgininGlycin

PheLeuIleMetValSerProThrAlaTyrHisGlnAsnLysAspGluCysTryArgGly

TTT TTCCTT CTCATT ATC ATA...

Bausteine für die Realisierung

Statt der 2 Symbole 0 und 1 in Autocad

Schlüssel-Schloss-Prinzip – Basenpaarung

TTTTTCTTATTGCTTCTCCTACTG

ATTATCATAATGGTTGTCGTAGTG

TCTTCCTCATCG

TATTACTAATAG

TGTTGCTGATGG

TCAGTCAGTCAG

TCAG

CGTCGCCGACGGAGTAGCAGAAGGGGTGGCGGAGGG

CATCACCAACAGAATAACAAAAAGGATGACGAAGAG

CCTCCCCCACCGACTACCACAACGGCTGCCGCAGCG

Phe

Leu

Gln

His

Tyr Cys

Trp

Arg

Ser

Ser

Arg

Gly

Asn

Lys

Asp

Glu

Pro

Thr

Ala

Leu

Ile

Val

Metstart

StoppStopp

C

A

T

G

T C A G

1. N

ukle

otid

base

2. Nukleotidbase

3. N

ukle

otid

base

T=Thymin

A=Adenin

G=Guanin

C=Cytosin

Der Genetische DNA-Code

A

C

G

Ribosom

DNA

m RNA

t RNA

Thr

Ala Gly

ValArg

Ser LeuHis

Ser Leu Thr

Ser Leu

Realisierung der genetischen Information

Thr

Aminoacyl t-RNA Synthetase

Bei der RNA ist Thymin durch Uracyl ersetzt

Montageplattform

T C A

T C A

Ablesewerkzeug

Enzym

2

Enzym 1

En

zym 4

Enzym 3

Phenylalanin t-RNA

AAG

Akzeptor für Aminosäure

P A

Aminosäure und ATP docken anVa l

Aminosäure

A

ATP Aminoacyl t-RNA Synthetase

ATP gibt zwei Phosphatgruppen abund verbindet sich mit der Aminosäure

ValVal

t-RNA dockt an AMP wird frei

unbeladene t-RNA

Beladene t-RNA wird freigegeben

Enzym kehrt in den Originalzustand zurück

P A

A

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.

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

A20

A19

A20A19

A19

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 !

Proteinfaltung

Zahnradfertigung

Technisches Formgebungsproblem und biologisches Formgebungsproblem

Lösung durch Ingenieurskunst

Lösung durch Evolution

Mit DNA Rechnen

Start Ziel

Der HAMILTON-Weg

Vom Start zum Ziel darf jeder Knoten des Graphen nur einmal durchlaufen werden.

ADLEMANs Experiment mit seinem TT-100

Lenonard M. Adleman

William Rowan Hamilton(1805 - 1865)

100 Mikroliter TestTube

Start Ziel

Die Lösung

1

2

3

4

5

67

Strategie zur Konstruktion eines HAMILTONschen 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 HA M I LTON-Weg existiert; wenn sie leer ist melde, dass es keinen gibt !

Biochemische Grundoperationen für „DNA - Computing“

Allgemein

1. Kettenverlängerung 2. Kettenverkürzung 3. Kettenverbindung 4. Kettenauftrennung 5. Kettenreplikation 6. Basen-Substitution

Speziell

1. Polymerase-Kettenreaktion 2. Gel-Elektrophorese 3. Affinitäts-Separation

Städ

te-C

ode

Verb

indu

ngsm

olek

üle

Celle

Aalen

Trier

Gotha

Basismoleküle

Ziel

Start

Trier Gotha

Gotha Aalen

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

Enzym

2

1

3

5

Kettenbildungen

4!

Zur Strategie

Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)

DNA-Vermehrung durch ein flankierendes Oligonukleotid (Primer)

Erhitzen auf knapp 100° C

Enzym Polymerase

Zur Strategie


DNA-Vermehrung durch zwei flankierende Oligonukleotide (Primer)

Erhitzen auf knapp 100° C


Aalen

Zur Strategie

DNA-Vermehrung durch zwei flankierende Oligonukleotide (Primer)

Gel-ElektrophoreseD

NA

-Pro

be

Anode

Kathode

Langes FragmentKurzer Weg

Kurzes FragmentLanger Weg

Zur Strategie

4

5

AffinitätsselektionZur Strategie

5

Affinitätssektion

4

Eisen

Zur Strategie

Man fischt alle Stränge heraus, die „Celle“ enthalten. Aus dieser Menge fischt man alle Stränge heraus, die „Gotha“ enthalten. …

ADLEMANs Experiment hat 7 Tage gedauert

Zur Strategie

• 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

www.marinero.de/bioinformatics/dnacomputing.pdfQuelle: Ralf Eggeling DNA computing

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 alleWörter 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

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

x y z 1 0 0

0 0 0

1 0 1

0 0 1

1 1 0

0 1 0

1 1 1

0 1 1

1 0 1

1 1 1

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 11 1 1

extrahiere x=0

0 0 0

1 0 11 1 1

0 0 10 1 00 1 1

0 0 00 0 1

1 0 11 1 10 0 00 0 1

1 0 10 0 00 0 1

1 1 1 0 0 0

0 0 01 1 1

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 ?

1

2

31 2 3

Beispiel für eine „tube separation“

Statt mit den 4 Erbbuchstaben G A T C arbeiten wir nur mit den 2 Computerzeichen 0 und 1

Logische Funktion

00

01

1110

a b a v b

0

11

1

00

01

1110

v

b a b

0

00

1

a

01

a ¬ a

10

„oder“ „und“ „nicht“

Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr (=1) ?Erfüllbarkeitsproblem

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

x y z 1 0 0

0 0 0

1 0 1

0 0 1

1 1 0

0 1 0

1 1 1

0 1 1

1 0 1

1 1 1

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 11 1 1

extrahiere x=0

0 0 0

1 0 11 1 1

0 0 10 1 00 1 1

0 0 00 0 1

1 0 11 1 10 0 00 0 1

1 0 10 0 00 0 1

1 1 1 0 0 0

0 0 01 1 1

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 ?

1

2

31 2 3

Beispiel für eine „tube separation“

Informations- verarbeitung

ElektrischeImpulse

ElektrischeImpulse

Informations- verarbeitung

Molekül-Strukturen

Molekül-Strukturen

ElektronischeInformationsverarbeitung

MolekulareInformationsverarbeitung

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

Warum DNA-C omputing ?

PC (1G Hz): 10 Operationen/sec

Super-PC : 10 Operationen/sec 12

9

DNA: 10 Operationen/sec 20

G esc hw indigkeit

E ffi zienz

7

10

10

Kilobyte (kB) 103 Byte = 1.000 Byte

Megabyte (MB) 106 Byte = 1.000.000 Byte

Gigabyte (GB) 109 Byte = 1.000.000.000 Byte

Terabyte (TB) 1012 Byte = 1.000.000.000.000 Byte

Petabyte (PB) 1015 Byte = 1.000.000.000.000.000 Byte

Exabyte (EB) 1018 Byte = 1.000.000.000.000.000.000 Byte

Zettabyte (ZB) 1021 Byte = 1.000.000.000.000.000.000.000 Byte

Yottabyte (YB) 1024 Byte = 1.000.000.000.000.000.000.000.000 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

Prinzip „Biochip“

Schlüssel-Schloss-Array

Bis zu 100 000 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 ?

Der DNA Chip

Glas-Objektträger mit Mikroarray:

Messpunkte (Spots) mit individuellen

einzelsträngigen DNA-Stücken bekannter Sequenz

DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

1

Hybridisierung:

Unbekannte DNA-Probe

Kontroll-DNA


2 Fluoreszenzmarkierung

Angekoppelte Fluorophore

Waschen:

Falsch gepaarte DNA-Stränge

werden herausgewaschen


3

Laserkamera: Orange Mischfarbe,

wenn Kontroll- und Probe-DNA iden-

tisch, sonst rote oder grüne Spots


4

Auswertung:

Auswertung der Spotfarben mit

Hilfe eines Computers


5

Auslesen eines DNA-Chips

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.

Ende

www.bionik.tu-berlin.de

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 !

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