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-MolekülPepsinPepsinogen

Wie stellt die Natur ihre

Schlüssel-Schloss-Moleküle her ?

Konstruktionszeichnung – Realisation Gestern

Konstruktionszeichnung – Realisation Heute

0100011011110010110010111100101011 . ..

Konstruktionszeichnung – Realisation In der Biologie

Desoxiribonukleinsäure (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

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

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

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

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

A20

A19

A19

Aufbau einer Gelenkkette mit Rechteckaussparung

Signalmolekül

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

Aminosäuren: Matrix der paarweisen Interaktionsenergien

Proteinfaltung

Zahnradfertigung

Technisches Formgebungsproblem und biologisches Formgebungsproblem

Mit DNA Rechnen

Start Ziel

Der HAMILTON-Weg

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

ADLEMANs Experiment

Lenonard M. Adleman

Start Ziel

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 !

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

2

1

3

5

Kettenbildungen

4!

Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)

Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)

Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)

Aalen

Gel-ElektrophoreseD

NA

-Pro

be

Anode

Kathode

Langes FragmentKurzer Weg

Kurzes FragmentLanger Weg

4

5

Affinitätssektion

5

Affinitätssektion

4

Eisen

ADLEMANs Experiment hat 7 Tage gedauert

Tube DeclarationsEx:tube t<|8|>;tube tube_array[3]<|8|>;tube t no length; // illegal

Tube InitialisationEx:t1 init 3;

Bit AssignmentEx:t<|I|> = (A > 35);t<|0|> = 0;t<|1|> = 1;

Bit CopyEx:t<|3|> = t<|5|;

Bit Logic OperationsEx:t<|3|> = t<|5|> ^ t<|6|>;t<|2|> = t<|3|> | t<|i|>;t<|0|> = t<|I|> & t<|I+1|>;t<|5|> = !t<|2|>;

Tube CombinationsEx:t1 <- t2;t3 = t1 + t2;t1 += t2;

Tube MovesEx:t1 = t2;

Tube SeparationEx:t src<|bit|> -> t on : t off;

DNA C Programmiersprache für DNA-Computing (Steven Carroll)

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

Beipiel für eine „tube separation“

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

Beipiel für eine „tube separation“

Informations- verarbeitung

ElektrischeImpulse

ElektrischeImpulse

Informations- verarbeitung

Molekül-Strukturen

Molekül-Strukturen

ElektronischeInformationsverarbeitung

MolekulareInformationsverarbeitung

Warum DNA-Computing ?

PC (1GHz): 10 Operationen/sec

Super-PC: 10 Operationen/sec 12

9

DNA: 10 Operationen/sec 20

Geschwindigkeit

Effi zienz

327 Terabyte Speicherdichte in1 Liter DNA-Lösung

2 -fach ernergieeffi zienter 7

2 -fach mehr Prozessoren 10

2 -fach mehr Speicher

10

Der DNA Chip

Glas-Objektträger mit Mikroarray:

Messpunkte (Spots) mit individuellen

DNA-Oligomeren bekannter Sequenz

DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

1

Hybridisierung:

Unbekannte DNA-Probe

Kontroll-DNA

DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

2 Fluoreszenzmarkierung

Waschen:

Falsch gepaarte DNA-Stränge

werden herausgewaschen

DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

3

Laserkamera: Orange Mischfarbe,

wenn Kontroll- und Probe-DNA iden-

tisch, sonst rote oder grüne Spots

DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

4

Auswertung:

Auswertung der Spotfarben mit

Hilfe eines Computers

DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

5

Auslesen eines DNA-Chips

Ende