Tanja Steiner & Helmut Dier Bio- und Nanostrukturen, Biosensoren.
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Tanja Steiner & Helmut Dier
Bio- und Nanostrukturen, Biosensoren
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Inhalt
• 1.) Einleitung (warum Bio-nanostrukturen)• 2.) Biologische Systeme (Nervenzellen)• 3.) S-Layers als Grundstrukturen für
– a) Bio-Materialien– b) strukturierte Nanotechnologie– c) Bildverarbeitung der beobachteten
Strukturen• 4.) Ausblick auf die Evolution der „Nanowelt“
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Nervensignal
• Entstehung im Zellkern
• Signalverlauf entlang der Nervenfaser (Axon) Länge der Nervenfaser: 1cm - 1m
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Zellkern
Enthält u. a. für den Stoffwechsel wichtige Organellen
Mitochondrien Energiegewinnung
Endoplasmatisches Retikulum: Synthese der von der Zelle benötigten Eiweißstoffe (Proteine)
www.diezelle.de
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Nervenfaser
• Isolierend durch die Myelinhülle umgeben
• Fortpflanzung des Nervensignals über die Ranvierschen Schnürlinge
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Synapsen
• Ende der Nervenfaser im synaptischen Endknöpfchen.
• Kontakt zwischen Zellkörper und den von ihm ausgehenden Dentriten mit anderen Nervenfasern.
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NeuronenartenDas menschliche Kleinhirn besteht aus über 1010 Zellen, die in 5 verschiedenen neuronalen Typen vorliegen
Purkinje-Zellen, Granule-Zellen, Golgi-Zellen ,
Korb-Zellen, sternförmige Zellen
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Zellmembran
Für Säugetiere:
Zwei Schichten vier verschiedener Phosphatmolekülschichten mit Unterschieden in den dipolaren Enden N und O.
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Strommessung
Messung des Ionenstromes eines einzelnen Übertragungskanals
Pipettenlösung verursacht Durchlassmechanismus.
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Messschema
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S-Layers (Surface Layers)
• Kristalline Schichten auf äußerer Zellmembran
• Aufbau durch Selbstorganisation
• Bildung wegen– Umweltbedingungen– ök. Bedingungen
Picture by: Margit Sára and Uwe Sleytr
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Auftreten und Struktur der S-Layers
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
Wichtig: Genaue Beschreibung und Charakterisierung solcher Strukturen (Bilderkennung)
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Anwendung und Eigenschaften
• Rekristallisation als Monolayers auf – Festen Trägern– Wasser/Luft Grenzfläche– Lipidfilmen– Liposomen
• Poren:– Gleich groß– Gleiche Morphologie
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3-D Modell der Proteinmassenverteilung
• a) Bacillus sterothermphilus• b) Bacillus sphaericus• c) Bacillus Coagluans
Einheit: 10nm
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
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Rekristallisation isolierter S-Layer
In-vitro Selbstorganisation
• a) Kristalline Felder• b) Anlagerung an Zellwand• c) Wasser-Luft Grenzfläche• d) an festen Flächen• e) Lipidfilme
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
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Biotechnische AnwendungenFilteraufbau
Ultrafiltermembran Anbinden funktionaler Moleküle
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
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Biotechnische AnwendungenStützstrukturen für z.B. Filter
S-Layer als Stützstruktur für funktionelle Lipidmembranen
Zur Stabilisierung von Lipidmembranen
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
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Nanotechnische AnwendungenPatternherstellung
• a) Pattern durch Bestrahlung mittels lithographischer Maske und Laser aufbringen
• b) S-Layer von bestrahlten Teilen entfernen
• c) Metallisierung oder • d) Anbindung biologischer
Moleküle an die S-Layer• e) Raserkraftmikroskopie
eines S-Layerpattern auf Siliziumwafer
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
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Nanotechnische AnwendungenPatternherstellung
• a) Gold „Verbund“ (lattice); Partikelgröße etwa 4-5 nm.
• b) Schematischer Querschnitt
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
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Analyse von nano-Strukturen, S-Layers,
Bilderkennung, 3d Oberflächen
Allgemeine Oberflächen werden durch eine Menge von Oberflächen (Patches) beschrieben, die durch 4 Kurven begrenzt werden.
Parameter u, v P(u,v)=[x(u,v)y(u,v)z(u,v)], wobei 0<=u,v<=1
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Erkennungsprobleme
• Kontrast• Gestaltung• Geometrische
Anordnung• Überlappungen
Vorgabe gezielter Such-Strategien
Objekttrennung und Be-wertung z. B. durch Einsatz von Filtern
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Template Matching
Einfachste Methode: Bildsubtraktion
Vergleichsbild: ideales Muster
Prüfbild: muss idealem Muster entsprechen
Ergebnis:mögliche Defekte
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Feature Matching
Vergleich findet nicht auf Grund von Pixelwerten statt sondern ist merkmalsorientiert.
• Verringerung der Datenmenge
• Zeitersparnis • Effiziente Fehlererkennung• kein Positionierungsproblem • Problem: Merkmalsdefinition
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Gaussbilder
Orientierbare Fläche: ausge-zeichnet durch die Möglichkeit der Angabe einer gerichteten Einheitsoberflächennormalen-richtung zu jeden Punkt• Jede Oberfläche deren 2.
Seite nicht erreichbar ist ohne die Grenzfläche zu passieren
• Jede geschlossene Oberfläche ist orientierbar
• Jedes Oberflächenpatch ist orientierbar
.
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BildrekonstruktionErstellung des 3d Bildes
durch Modellierung aus
Schichtbildern.
Problem:
keine Information zwischen den
Teilschritten, die Form wird
approximiert, Rekonstruktion
nach Modellwissen.
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Ausblick auf die „Nanowelt“Lernende Selbstorganisation in Anlehnung an die Evolution
H.Lipson in Nano-Physics & Bio-Electronics, Elsevier 2002