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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 fr 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 ) Lnge der Nervenfaser: 1cm - 1m

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Zellkern Enthlt u. a. fr den Stoffwechsel wichtige Organellen Mitochondrien Energiegewinnung Endoplasmatisches Retikulum: Synthese der von der Zelle bentigten Eiweistoffe (Proteine) www.diezelle.de

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Nervenfaser Isolierend durch die Myelinhlle umgeben Fortpflanzung des Nervensignals ber die Ranvierschen Schnrlinge

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Synapsen Ende der Nervenfaser im synaptischen Endknpfchen. Kontakt zwischen Zellkrper und den von ihm ausgehenden Dentriten mit anderen Nervenfasern.

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Neuronenarten Das menschliche Kleinhirn besteht aus ber 10 10 Zellen, die in 5 verschiedenen neuronalen Typen vorliegen Purkinje-Zellen, Granule-Zellen, Golgi-Zellen, Korb-Zellen, sternfrmige Zellen

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Zellmembran Fr Sugetiere: Zwei Schichten vier verschiedener Phosphatmoleklschichten mit Unterschieden in den dipolaren Enden N und O.

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Strommessung Messung des Ionenstromes eines einzelnen bertragungskanals Pipettenlsung verursacht Durchlassmechanismus.

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Messschema

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S-Layers (Surface Layers) Kristalline Schichten auf uerer Zellmembran Aufbau durch Selbstorganisation Bildung wegen Umweltbedingungen k. Bedingungen Picture by: Margit Sra 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 Trgern Wasser/Luft Grenzflche Lipidfilmen Liposomen Poren: Gleich gro 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 Grenzflche d) an festen Flchen e) Lipidfilme U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034

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Biotechnische Anwendungen Filteraufbau Ultrafiltermembran Anbinden funktionaler Molekle U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034

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Biotechnische Anwendungen Sttzstrukturen fr z.B. Filter S-Layer als Sttzstruktur fr funktionelle Lipidmembranen Zur Stabilisierung von Lipidmembranen U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034

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Nanotechnische Anwendungen Patternherstellung a) Pattern durch Bestrahlung mittels lithographischer Maske und Laser aufbringen b) S-Layer von bestrahlten Teilen entfernen c) Metallisierung oder d) Anbindung biologischer Molekle 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 Anwendungen Patternherstellung a) Gold Verbund (lattice); Partikelgre 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 Oberflchen Allgemeine Oberflchen werden durch eine Menge von Oberflchen (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