B2-13Fo1 - Bionik TU

20.
Themenfolge der Vorlesung
1. Grenzleistung elementarer biologischer Sensoren
2. Integrierte (exotische) Sensorsysteme in der Natur
3. Der Biosensor als bionisch/biotechnologisches Zwittersystem
4. Ungewöhnliche Biosensoren nach dem Vorbild der Natur
5. Signalwandlung und Signalverarbeitung in Biosensoren
6. Das Neuron als analog/digitales Rechenelement
7. Die Inhibition – Leistung einer elementaren Neuronenschaltung
8. Struktur und Arbeitsweise Neuronaler Netzwerke
9. Rechnen mit Molekülen (DNA-Chips und DNA-Computing)
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung Bionik II (Biosensorik /Bioinformatik)
Grenzleistungen biologischer Rezeptoren
Chemorezeptor, Photorezeptor, Mechanorezeptor
Leistung eines
Chemorezeptors
Antenne
Molekülkescher
Molekülfänger eines Seidenspinnermännchens
Wird im Experiment ein Schmetterlingsmännchen 1 s lang von
einem Duftstrom mit 2000 Bombykolmolekülen/cm3 und einer
Windgeschwindigkeit von 60 cm/s angeblasen, so löst dies
einen Suchflug windaufwärts aus. Im Freien tastet das Männchen chemisch die Geruchsfahne ab, kehrt immer wieder in
den Luftstrom höchster Duftmoleküldichte zurück und findet so
das Weibchen. Durch diese Chemotaxis kann ein Männchen
auf 1 km Entfernung ein Weibchen z. B. in 12 min finden. Bis zu
10 km weite Suchflüge sind möglich.
Geruchsfahne
12 min
1 km
Zahl der Moleküle pro Kubikzentimeter Luft = 2,687· 1019
Käfig
mit
Adolf Butenandt 1903 - 1995
Sexuallockstoff
Bombykol
Seidenspinnerweibchen
Der Nobelpreisträger Adolf Butenandt benötigte 17 Jahre und 750 000 Seidenspinnerweibchen, um 1959 die chemische Struktur von Bombykol aufzuklären.
H
H
C
C
CH 3 CH 2 CH 2
H
C C
H
CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 OH
Synthetische Herstellung mit Markierung durch Tritium möglich
(Tritium = radioaktiver Wasserstoff mit 2 Neutronen im Kern)
Luftstrom mit Tritium
markiertem Bombykol
zunehmender Konzentration
Schwirr-Reaktion
#
Gesamtzahl der
Rezeptoren = 30 000
Zahl der absorbierten Moleküle über
den radioaktiven
Zerfall ≈ 300
Kontrollexperiment
zur Bestimmung der
Riechschwelle
Liquor
Dendriten
Pore
V
Mikroelektrode
Anstechen mit einer
Mikroelektrode
Sinneszellen
Riechsensillen
Silberdraht
Glasröhrchen
AgCl-Überzug
Konzentrierte
KCl-Lösung
Öffnungs-Ø
1 bis 0,1µm
Aufbau einer Mikroelektrode
Als Elektroden verwendet man Glaskapillar-Mikroelektroden. Dies sind hauchdünn ausgezogene Glaskapillaren, in die ein Silberdraht hineinführt, der im Innern
der Kapillare mit einer Schicht von Silberchlorid überzogen ist. Der Innenraum der Glaskapillare ist mit einer
konz. KCl-Lösung gefüllt (sog. Elektrolytsäule).
Sobald die feine Kapillarspitze durch die Membran eingedrungen ist, steht das Cytoplasma der Zelle über jene
dünne Elektrolytsäule mit dem Silberdraht in Verbindung. Das Membranpotential wird also immer als intrazelluläres Potential relativ zum extrazellulären Potential
angegeben. Das extrazelluläre Potential ist willkürlich
als Null definiert.
Bestimmung der während eines
gegebenen Zeitintervalls absorbierten, Tritium markierten Duftmoleküle (z. B. 300).
Liquor
Dendriten
Pore
Anstechen einer Duftsinneszelle
mit einer Mikroelektrode.
V
Die Häufigkeit einer beobachteten
Potenzialänderung stimmt mit der
berechneten Wahrscheinlichkeit
(z.B. 1/100 bei 30 000 Rezeptoren)
für einen Einmolekültreffer überein.
Mikroelektrode
Sinneszellen
Riechsensillen
Einmoleküldetektion !
~ 45 000 Riechsinneszellen
Der Aal und seine Nase
Duftstoff
Phenylethylalkohol
(Rosenduft)
Aal wird dressiert, nur diejenige
Röhre als Versteck zu wählen,
durch die der Duftstoff strömt.
12,4 cm langer
Versuchsaal
Aalversteck
Gummiröhre
Wahlapparatur für die
Röhrendressur eines Aals
(Harald Teichmann, 1956)
Durch eine Röhre
strömt Rosenduftwasser
Versuchsbecken (40×25×9 cm)
Harald Teichmann: Über die Leistung des Geruchssinnes
beim Aal. Z. vergl. Physiol. 42 (1959), S.206-254.
Andressur des Aals mit fortschreitender Verdünnung des Duftstoffes b-Phenylethylalkohol
Die Schlussphase des 2. Verhaltensexperiments ─ Erreichen der Riechschwelle des Aals
Inhalt der Nase des 12,4 cm langen Versuchsaals: 0,30 mm3
Rechnerisch befindet sich im Aalnasenvolumen nur ein halbes Molekül
Einmoleküldetektion
Formel zur Berechnung der Molekülzahl MZ pro cm3
MZ =
Substanzmenge [g] × Avogadrozahl
Molmasse [g] × Volumen [cm3]
Avogadrozahl = 6,022 · 1023
Riechschwelle Aal: 1766 Moleküle / cm3 Wasser
b-Phenylethylalkohol
0,1 g
Grenzempfindlichkeit der
Aalnase veranschaulicht
1/5 Tropfen
Überlingen
Meerburg
Konstanz
50
Bo
Mi
de
l li a
Friedrichshafen
nse
rd e
n m
3
e
Lindau
C8H10O
!
Bregenz
Rauschgift-Spürhund
Lawinenhund
Brandmittel-Spürhund
Sprengstoff-Spürhund
Biosensor
Hundenase
,Ein kurzes Schnuppern mit der
Hundenase, und die Diagnose
steht fest. Mit ihren verblüffenden
Riechkünsten sollen die Vierbeiner
mehreren Studien zufolge Krebs
erschnüffeln können - und zwar am
Atem der Patienten.
Das Aufsehen erregende wissenschaftliche Werk basiert auf einer
seit langem anerkannten Theorie – Tumore enthalten Benzol sowie
winzige Spuren alkalischer Derivate, die in gesundem Gewebe
nicht vorkommen. Und diese Substanzen können darauf trainierte
Hunde erschnüffeln. Studien-Fazit also: Hunde riechen, wenn ein
Mensch Krebs hat. Wobei Lungenkrebs im Mittelpunkt dieser
wissenschaftlichen Betrachtungen der Pine Street Foundation in
Marin County California steht. Faszinierend die Erfolgszahl der
Vierbeiner: Sie lagen in 99 Prozent der Fälle richtig.
Ehemalige Cargolifter-Halle:
Länge: 360 m
Breite: 210 m
Höhe: 107 m
Volumen: 5,5 Millionen m3
Jetzt „Tropical Island“
1,6 Millionstel Gramm
Buttersäure in der
Halle kann ein Hund
noch riechen !
 2000 Moleküle/cm3
Hundenase
225 Mio.
147 Mio.
126 Mio.
6 Mio.
Schäferhund
Foxterrier
Dackel
Mensch
Anzahl der Riechsinneszellen
Gaschromatograph
kontra
Hundenase
Chemosensoren des Geschmacks
Süß – ausgelöst durch Zucker und Zuckerderivate sowie einige
Aminosäuren, Peptide oder Alkohole und Süßstoffe
Salzig – ausgelöst durch Speisesalz wie durch einige andere Mineralsalze
Sauer – ausgelöst durch Saure Lösungen und organische Säuren
Bitter – ausgelöst durch eine Vielzahl verschiedener Stoffe (Bitterstoffe)
Umami – ausgelöst durch die Aminosäuren Glutaminsäure und
Asparaginsäure (Geschmacksverstärker)
Chemosensoren in den inneren Organen des Menschen
Chemosensoren der Leber, die den Glukosespiegel registrieren
Chemosensoren im Glomus caroticum und im Glomus aorticum, die einen
Sauerstoffmangel (Hypoxie) registrieren.
Chemosensoren im Atemzentrum im verlängerten Rückenmark (Medulla
oblongata), die den Blut-pH und den pCO2 (Kohlendioxid-Partialdruck) messen.
Leistung eines
Photorezeptors
Minimale Reizenergie ≈ 2·10 -17 J
n ≈ 60 Photonen/s
100 W =100 J/s
A n0
 600 km
r =?
4 n
Pupille:
A = 0,5 cm 2
3·10 20 Photonen/s
Pupilleneintrittsfläche
n
A
=
4  r 2 n0
Annahme: Nur 2% der von der Glühlampe
ausgesendeten Photonen liegen im maximalen
Empfindlichkeitsbereich des Auges (um 550 nm).
n0= 6·1018 Photonen/s
Kugeloberfläche
Gilt nur im Weltraum: Bei sehr klaren
Wetterbedingungen wird die Intensität
eines Lichtstrahls pro100km auf etwa1/3
seiner Ausgangsstärke abgeschwächt.
Energie eines Photons:
Plancksches
Wirkungsquantum
Lichtgeschwindigkeit
6,62 10 34 [ Js]  3 108 [m/ s]
h

c
E=
=
= 3,6 10 19 J

9

550 10 [m]
Lichtwellenlänge
n ≈ 60 Photonen/s
Ein Photorezeptor
misst ein Lichtquant
Von der „Schrotladung“ der 60 Photonen
treffen nur 10 auf Rezeptoren der Netzhaut !
Photorezeptor des Pfeilschwanzkrebses
reagiert ebenfalls auf ein Lichtquant
Der Pfeilschwanzkrebs gilt als lebendes Fossil, da er sich seit
175 Millionen Jahren morphologisch kaum verändert hat
Leistung eines
Mechanorezeptors
Das Vater-Pacini-Körperchen
reagiert auf Eindellungen der
Haut. Das bedeutet, dass es
besonders auf Druck reagiert.
Das Vater-Pacini-Körperchen
liegt im Übergangsbereich von
Lederhaut und Unterhaut.
Das Meissner-Körperchen reagiert empfindlich auf Berührung.
Es ist besonders zahlreich in den
Fingerkuppen. Mit dem Meissner-Körperchen können wir die
Oberfläche und die Ausdehnung
von Gegenständen fühlen.
Mechanorezeptoren
Die Haarzelle reagiert auf mechanische Verschiebungen. Haarzelzellen gibt es im Seitenlinienorgan
der Fische, und mit Haarzellen
sind wir in der Lage zu hören.
Haarzellen sind die empfindlichsten Mechanorezeptoren.
0,3 nm
7,5 mm
An der Hörschwelle
5 μm
Mechanischer Schub
150 m
0,1 nm
Wasserstoffatom
10 mV
Empfindlichkeit einer Haarzelle
Mensch: Vergleich Auge / Ohr
Minimale Reizenergie ≈ 2 · 10
-17
J
Minimale Reizenergie ≈ 5 · 10 -18 J
Entspricht der Energie von
60 Photonen (550 nm)
Chemorezeptor
Photorezeptor
Mechanorezeptor
Thermorezeptor
Hygrorezeptor
Elektrorezeptor
Magnetorezeptor
Wie funktioniert ein biologischer Rezeptor ?
Wie erklärt sich die unglaublich hohe Empfindlichkeit ?
0
- 70 mV
Ruhepotential einer
Nervenzelle
Wie entsteht ein Ruhepotenzial ?
Tiefe überhöht dargestellt !
Nerven- und Sinneszellenpotenziale entstehen
durch Ionenströme, die durch veränderliche Poren der Zellmembran fließen. Um die Zahlenverhältnisse der beteiligten Ionen zu veranschaulichen, wird eine Volumenelement betrachtet. Die
Zellmembran teilt dieses Volumen in zwei gleich
große Hälften von 1 µm Breite, 1 µm Höhe
und 0,001 µm Tiefe.
0 mV
100000 +
10000 Na+
2200 Cl
107800 +
K+
A
Gedachte Anfangszustand
2000 K +
108000 Na+
110000 Cl
Im intrazellulären Testvolumen von 10 -12 mm3
befinden sich 100 000 + 6 Kaliumionen, 10 000
Natriumionen, 2 200 Chloridionen und 107 800
+ 6 negativ geladene Aminosäuremoleküle. Das
gleich große extrazelluläre Testvolumen enthält
2 000 Kaliumionen, 108 000 Natriumionen und
110 000 Chloridionen. Wir messen die Spannungsdifferenz 0 V.
-90 mV
Zum Anfangszustand
Die Zellmemran besitzt Poren, durch die die Kaliumionen hindurchgelassen werden. Wegen der
Konzentrationsdifferenz beginnen Kaliumionen
nach außen zu diffundieren. Es baut sich eine
elektrische Gegenkraft auf. Bei 6 aus dem Testvolumen herausdiffundierten Kaliumionen ist diese Gegenkraft im Gleichgewicht mit der Diffusionskraft. Wir messen eine Spannung von -90 mV.
-70 mV
Ohne diese Pumpe
stirbt die Zelle
Zum Anfangszustand
Die Zellmembran besitzt einige Poren, durch die
auch die größeren Natriumionen hindurchtreten
können. Wegen der höheren extrazellulären Natriumkonzentration diffundieren langsam Natriumionen in das Zellinnere. Deshalb fördert eine
vom Stoffwechsel betrieben Natriumpumpe Natriumionen nach außen. Es stellt sich eine neue
Gleichgewichtsspannung von -70 mV ein.
Wie entsteht ein Rezeptorpotenzial ?
Zum Anfangszustand
mV
Reiz
Ein Reiz verändert die Durchlässigkeit der Zellmembran, hier die Durchlässigkeit für Natriumionen. Extrazelluläre Natriumionen diffundieren
schlagartig in das Zellinnere. Die Spannung
steigt an. Ein mechanischer Reiz könnte die
Membranporen durch Deformation öffnen, ein
chemischer Reiz durch Anbindung der Signalmoleküle an Membranschlösser diese aufschließen.
Nervenimpuls
Zum Anfangszustand
+30 mV
Der Na-Einstrom käme erst bei einer Spannungsdifferenz von + 60 mV zum Stillstand (10 in das
Testvolumen eindiffundierte Natriumionen). Aber
Durch Abnahme der elektrischen Gegenkraft, die
zuvor das Ausströmen weiterer Kaliumionen verhinderte, diffundieren nun weitere Kaliumionen
zellauswärts. Der Natrium-Ioneneinstrom kann
nur eine Spannung von + 30 mV aufbauen.
Zum Anfangszustand
-70 mV
Rezeptorzellen adaptieren, wenn der Reiz länger
anhält. Der Natriumioneneinstrom wird gesperrt,
und der intrazelluläre Überschuss an Kaliumionen
stellt das Ruhepotential von -70 mV wieder her.
Die in die Zelle eindiffundierten Natriumionen und
die aus der Zelle gelangten Kaliumionen werden
durch eine stoffwechselgetriebene gekoppelte Natrium-Kalium-Pumpe wieder zurücktransportiert.
Wie funktioniert
eine Riechsinneszelle
Membran
Signalmolekül
Rezeptor
V
Ionen
Ein etwas zu simples mechanisches Modell eines Riechrezeptors
Phenomenologisches Modell der Geruchserkennung
Wir empfinden vielleicht
kugelförmige Moleküle als kampferartig,
scheibenförmige Moleküle als moschusartig,
keilförmige Moleküle als pfefferminzartig,
stabförmige Moleküle als ätherartig,
u.s.w.
Die Kunst des Molekül-Fangens
und der Messung dieses Ereignisses!
10 000
100
Katalysator
Signalmolekül
Katalysator
1
Katalysator
Rezeptor
Abstraktes Modell:
Einmolekülmessung durch Synthese einer Katalysatorkaskade
10 000
Enzym 3
100
Enzym 3*
Signalmolekül
Enzym 2*
Enzym 2
Könnte z. B. die Tore
einer Membran öffnen
1
Konformationsänderung
Enzym 1
Rezeptor
Abstraktes Modell:
Einmolekülmessung durch Aktivierung einer Enzymkaskade
Reales Modell des Riechens mit
molekularer Kaskaden-Verstärkung
Duftstoff
Rezeptor

AC
cAMP
cAMP
cAMP
cAMP
ATP
cAMP
cAMP
b

G-Protein
ATP
ATP
cAMP
AC = Adenylcyclase
cAMP = cyclo-Adenosinmonophosphat
Vom Duft zum elektrischen Signal
Winzige Spuren eines Duftstoffs genügen, schon nehmen wir die Witterung auf. Wie
schafft es das Gehirn, wenige Moleküle wahrzunehmen? Um diesen Vorgang zu
verstehen, muss man ins Innere der Zelle vordringen. Das Geruchssignal wird hier
kaskadenförmig verstärkt. Das geschieht in mehreren Schritten: Zunächst dockt der
Geruchsstoff an der Riechzelle an. Sein Anker ist ein Rezeptor, ein längliches
Eiweißmolekül, das sich durch die Zellhaut (Membran) hindurchschlängelt. Das
Geruchsmolekül aktiviert den Rezeptor, die Kaskade beginnt. Der Rezeptor spaltet
ein G-Protein im Inneren der Zelle (Schritt zwei). G-Proteine sind Eiweißmoleküle,
die als „reitende Boten“ in der Zelle eine zentrale Rolle spielen. Das G-Protein kurbelt
(Schritt drei) ein Enzym namens AC an, das seinerseits massenhaft Boten-Moleküle
namens cAMP produziert (Schritt vier). Dann dockt cAMP an Ionenkanälen in der
Zellhaut an (Schritt fünf). Das cAMP fungiert wie ein Schleusenwärter, der die Kanäle
öffnet. Das führt dazu, dass elektrisch geladene Teilchen (Ionen) in die Zelle
einströmen. Das elektrische Potenzial der Zellmembran ändert sich schlagartig. Aus
dem chemischen ist auf diese Weise ein elektrisches Signal entstanden – die im
Gehirn „gängige Währung“ der Informationsübertragung.
Wie funktioniert
eine Lichtsinneszelle
cGMP
1
3000
R
R
T
T
2000
PDE
Problem Rückreaktion
PDE
inaktives
cGMP
Licht überführt den Sehfarbstoff Rhodopsin (R) in seine enzymatisch aktive Form (R*). Ein aktiviertes R* aktiviert 3000 Transducin-Proteine (T*). Diese Form des Transducins aktiviert das
Enzym Phosphodiesterase (PDE*). Ein Molekül der PDE*
wiederum ist in der Lage, 2000 cyclo-GuanosinmonophosphatMoleküle (cGMP) zu inaktivieren. In zwei Stufen erreicht die
Kaskade theoretisch einen Verstärkungsgrad von 6 Millionen.
R* aktiviertes Rhodopsin
hält Ionentore geschlossen
-70 mV
R
-70 mV
-30
R*
Transduktionskaskade
1 Photon schließt 10 6
bis 10 7 Natriumkanäle
-30 mV
R*
-70 mV
Wiederherstellung des
Ruhepotenzials
Verkürzt dargestellt!
Siehe genauer:
„Wie entsteht ein
Rezeptorpotenzial“
Technische Entsprechung zur
Enzymkaskade
Photomultiplier
Dynoden
Photon
Elektron
Verstärkung durch
Lawineneffekt auch
in der Technik
Anode
Biochemische
Verstärkungskaskade
Signal
Enzyme
Wie funktioniert
ein Haarzellensensor
- 50
mV
- 40
mV
- 30
mV
- 40
mV
- 50
mV
- 60
mV
- 70
mV
- 60
mV
- 40
mV
Die mechanische Funktion erklärt die
gestaffelte Länge der Sinneshärchen.
Nach links geschert verringern sich die
Abstände der Haarspitzen, nach rechts
geschert vergrößern sie sich.
Ende
www.bionik.tu-berlin.de
0 mV
100 000 +
10 000 Na+
2 200 Cl
107 800 +
K+
A
2 000 K +
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000 Na+
2 200 Cl
107 800 +
K+
A
2 000 K +
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000 Na+
2 200 Cl
107 800 +
K+
A
2 000 K +
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000 Na+
2 200 Cl
107 800 +
K+
A
2 000 K +
108 000 Na+
110 000 Cl
0 mV
100 000 +
10 000 Na+
2 200 Cl
107 800 +
K+
A
2 000 K +
108 000 Na+
110 000 Cl