B2-06Fo5 - Bionik TU

Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Biosensorik / Bionik II“
Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip
Die universelle Technologie des Lebens
Weiterverwendung nur unter
Angabe der Quelle gestattet
Verdauungsenzym
Komplex aus 44
Aminosäuren
pH <
>5!
Pepsin
Pepsinogen
aktiv
inaktiv !
Ein Schlüssel-Schloss-Molekül
Wie stellt die Natur ihre
Schlüssel-Schloss-Moleküle her ?
Konstruktionszeichnung – Realisation
Gestern
0100011011110010110
010111100101011...
Konstruktionszeichnung – Realisation
Heute
Desoxyribonukleinsäure
(DNA-Doppelhelix)
Protein (Aminosäurekette)
Konstruktionszeichnung – Realisation
In der Biologie
Nukleotidbasen
Aminosäuren
Bausteine für die „Konstruktionszeichnung“
Bausteine für die Realisierung
Adenin
A
Thymin
T
Guanin
G
Cytosin
C
Phenylalanin
Leucin
Isoleucin
Methionin
Valin
Serin
Prolin
Threonin
Alanin
Tyrosin
Histidin
Glutamin
Asparagin
Lysin
Asparaginsäure
Glutaminsäure
Cystein
Tryptophan
Arginin
Glycin
Phe
Leu
Ile
Met
Val
Ser
Pro
Thr
Ala
Tyr
His
Gln
Asn
Lys
Asp
Glu
Cys
Try
Arg
Gly
TTT TTC
CTT CTC
ATT ATC ATA
.
.
.
Schlüssel-Schloss-Prinzip – Basenpaarung
Der Genetische DNA-Code
A=Adenin
T=Thymin
G=Guanin
C=Cytosin
1. Nukleotidbase
T
C
A
G
TAT
TTT
TCT
Tyr TGT Cys T
Phe
TTC
TCC Ser TAC
TGC
C
T
TAA Stopp TGA Stopp A
TTA Leu TCA
TAG
TTG
TCG
TGG Trp G
T
CTT
CGT
CCT
CAT
His
CTC
CGC Arg C
Leu CCC Pro CAC
C
A
CTA
CGA
CCA
CAA
Gln
G
CTG
CGG
CCG
CAG
T
ATT
ACT
AAT
AGT
Asn
Ser
C
ATC Ile ACC Thr AAC
AGC
A
ATA
ACA
AAA
AGA Arg A
Lys
Met ACG
G
ATG start
AAG
AGG
T
GGT
GCT
GAT
GTT
Asp
GGC Gly C
GCC Ala GAC
GTC
Val
G
A
GCA
GAA Glu GGA
GTA
G
GGG
GCG
GAG
GTG
3. Nukleotidbase
2. Nukleotidbase
DNA
t RNA
Ser
m RNA
Thr
Leu
Ala
Aminoacyl
t-RNA Synthetase
Ser
Leu
His
Gly
Val
Arg
Thr
Ribosom
Bei der RNA ist Thymin
durch Uracyl ersetzt
Ser
Leu
Thr
Realisierung der genetischen Information
Akzeptor für
Aminosäure
A
A
G
Phenylalanin t-RNA
Va
l
Aminosäure und
ATP docken an
Val
Aminosäure
P
P
P
P
P A
Aminoacyl
t-RNA Synthetase
ATP
Enzym kehrt in den
Originalzustand zurück
P
P A
Val
P
ATP gibt zwei
Phosphatgruppen ab
und verbindet sich
mit der Aminosäure
P
Va
l
P A
Val
t-RNA dockt an
AMP wird frei
Beladene t-RNA
wird freigegeben
unbeladene
t-RNA
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
Durch die Aneinanderreihung
der „richtigen“ Längen und
Winkel eines Polygonzuges
entsteht ein Zahnrad.
Technisches Formgebungsproblem „Zahnrad“
Man stelle sich die 20 Aminosäuren als 20 verschiedene Winkelstücke
vor, die zu einer Gelenkkette aneinandergekoppelt werden können.
A20
A19
Signalmolekül
A19
A19
A20
Aufbau einer Gelenkkette
mit Rechteckaussparung
Aminosäuren: Matrix der paarweisen Interaktionsenergien
ALA
ASP
GLU
0,12
0,62 -0,76
0,40 -0,47 -0,92
CYS -0,01 -0,27
0,26 -0,15 -1,45
0,12 -1,37 -0,56
ASP
0,12
0,86
0,11
0,40 -1,37
0,39 -0,09
0,92
GLU
0,62 -0,15
0,16 -0,57 -0,30
1,06 -0,76
0,57 -0,84
0,42
ALA
CYS
0,18 -0,01
0,26
0,16
PHE
GLY
HIS
ILE
LYS
LEU
MET
ASN
PRO
GLN
ARG
SER
THR
VAL
TRP
TYR
0,28 -0,61 -0,87
0,28
0,34
0,31
0,08
0,06 -0,09 -0,63 -0,76 -0,77
0,11 -0,67 -1,52
0,12
0,45 -0,77 -1,40 -0,27
0,14
0,24
1,17
0,29 -0,89
0,19 -0,25
0,35 -0,27 -0,29
0,08
0,00
0,50 -0,12 -0,76
0,23 -0,08
0,57 -0,65 -0,56
0,12 -0,75 -1,48 -0,90
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
0,01
0,63
0,09 -0,32
0,36
0,44
0,40
0,06 -0,70
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
0,01 -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
0,05
0,63
0,72
1,13
0,48
0,54
0,91
0,31
1,18
0,61
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
0,72 -0,77
0,08 -0,63 -1,10 -1,91 -0,88
LYS
0,40
0,28
0,12
0,39
1,06 -0,03
0,57 -1,60
0,11 -0,09 -0,84
0,00
0,15
0,20
0,28
0,62
0,26 -0,18
LEU -0,61 -0,67
0,92
0,42 -1,43
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
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
PRO
0,34
0,45
1,17
0,50
0,27
0,36 -0,28
0,44
0,91
0,46 -0,04
0,77 -0,51 -0,25
GLN
0,31 -0,77
0,29 -0,12 -0,31
0,26 -0,38
0,21
0,31
0,19
ARG
0,08 -1,40 -0,89 -0,76 -0,81 -0,18 -0,42
0,05
1,18 -0,28 -0,77
SER
0,06 -0,27
0,15
0,61
THR -0,09
0,19
0,23 -0,37
0,12 -0,25 -0,08 -0,90
VAL -0,63 -0,75
0,35
0,57 -1,23
0,44 -0,26
0,15
0,23 -0,49 -0,59
0,48
0,63
0,07 -0,58 -0,53
0,80
0,00
0,00
0,06 -0,25 -0,30 -0,64 -0,26
0,48
0,08 -1,00 -1,01
0,48
0,80 -0,26 -0,06 -0,05
0,11 -0,23 -0,28
0,72 -0,30 -0,51
0,08 -0,20
0,20 -0,30
0,05 -1,04
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
0,06
0,24 -1,34
0,77 -1,09 -1,10
0,23
0,07
0,00
0,08
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
TYR -0,77 -0,90 -0,29 -0,56 -0,89
0,77 -0,24 -0,57
0,18
0,56
0,06 -0,20
0,15
0,24
0,11 -0,31 -1,26 -1,13 -0,67
0,05 -1,00 -0,23 -0,10 -1,13 -1,04 -0,63
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
Zahnradfertigung
Proteinfaltung
Technisches Formgebungsproblem
und
biologisches Formgebungsproblem
Mit DNA
Rechnen
Der HAMILTON-Weg
Vom Start zum Ziel
darf jeder Knoten des
Graphen nur einmal
durchlaufen werden.
Start
Ziel
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 Graphen im Weg enthalten ist. Falls nicht, entferne den Weg aus der Menge.
3. Wenn die Menge nicht leer ist melde, dass ein HAMILTON-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
Aalen
Celle
Trier
Start
Basismoleküle
Verbindungsmoleküle
Gotha
Städte-Code
Ziel
Trier
Gotha
Gotha
Aalen
Die Basis-DNA-Sequenzen kommen in
das Reaktionsgefäß
Kettenbildungen
1
2
3
4
5
!
Polymerase-Ketten-Reaktion
Polymerase Chain Reaction (PCR)
Polymerase-Ketten-Reaktion
Polymerase Chain Reaction (PCR)
Aalen
Polymerase-Ketten-Reaktion
Polymerase Chain Reaction (PCR)
DNA-Probe
Gel-Elektrophorese
Langes Fragment
Kurzer Weg
Gel
Kathode
Anode
Kurzes Fragment
Langer Weg
4
5
Affinitätssektion
Eisen
4
5
Affinitätssektion
ADLEMANs Experiment
hat 7 Tage gedauert
Tube
Ex:
tube
tube
tube
Declarations
t<|8|>;
tube_array[3]<|8|>;
t no length; // illegal
Tube Initialisation
Ex:
t1 init 3;
Bit Assignment
Ex:
t<|I|> = (A > 35);
t<|0|> = 0;
t<|1|> = 1;
Bit Copy
Ex:
t<|3|> = t<|5|;
DNA C
Bit Logic Operations
Ex:
t<|3|> = t<|5|> ^ t<|6|>;
t<|2|> = t<|3|> | t<|i|>;
t<|0|> = t<|I|> & t<|I+1|>;
t<|5|> = !t<|2|>;
Tube Combinations
Ex:
t1 <- t2;
t3 = t1 + t2;
t1 += t2;
Tube Moves
Ex:
t1 = t2;
Tube Separation
Ex:
t src<|bit|> -> t on : t off;
Programmiersprache für DNA-Computing (Steven Carroll)
x y z
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
extrahiere
x=0
Beipiel für eine „tube separation“
extrahiere
z=1
1
0
1
1
1
1
SAT-Problem
Erfüllbarkeitsproblem
kombiniere x=0 z=1
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
(Satisfiability Problem)
extrahiere
x=1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
extrahiere
y=0
1
0
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
kombiniere x=1 y=0
Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr ?
1
2
3
2
1
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
extrahiere
y=1
1
0
1
0
0
0
0
0
1
1
1
1
Lösung
extrahiere
z=0
0
kombiniere y=1 z=0
1
1
1
0
0
0
3
0
0
Logische Funktion
b
0
1
0
1
„oder“
avb
0
1
1
1
a
0
0
1
1
b
0
1
0
1
„und“
a
v
a
0
0
1
1
0
0
0
1
b
a
0
1
¬a
1
0
„nicht“
Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr (=1) ?
Erfüllbarkeitsproblem
x y z
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
extrahiere
x=0
Beipiel für eine „tube separation“
extrahiere
z=1
1
0
1
1
1
1
SAT-Problem
Erfüllbarkeitsproblem
kombiniere x=0 z=1
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
(Satisfiability Problem)
extrahiere
x=1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
extrahiere
y=0
1
0
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
kombiniere x=1 y=0
Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr ?
1
2
3
2
1
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
extrahiere
y=1
1
0
1
0
0
0
0
0
1
1
1
1
Lösung
extrahiere
z=0
0
kombiniere y=1 z=0
1
1
1
0
0
0
3
0
0
Elektrische
Impulse
Informationsverarbeitung
Elektrische
Impulse
Elektronische
Informationsverarbeitung
MolekülStrukturen
Informationsverarbeitung
MolekülStrukturen
Molekulare
Informationsverarbeitung
Warum DNA-Computing ?
Geschwindigkeit
9
PC (1GHz): 10
Operationen/sec
Super-PC:
10 12 Operationen/sec
DNA:
10
20
Operationen/sec
Effizienz
327 Terabyte Speicherdichte in
1 Liter DNA-Lösung
2 7-fach ernergieeffizienter
10
2
-fach mehr Prozessoren
210 -fach mehr Speicher
Biochip
oder Schlüssel-Schloss-Array
Markierte Positiv-Moleküle
Bis zu 100 000 verschiedene Gruppen von
Negativ-Molekülen auf Unterlage fixiert.
Je 10 Mill. Moleküle
Der DNA Chip
1
Glas-Objektträger mit Mikroarray:
Messpunkte (Spots) mit individuellen
DNA-Oligomeren bekannter Sequenz
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
2
Fluoreszenzmarkierung
Hybridisierung:
Unbekannte DNA-Probe
Kontroll-DNA
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
3
Waschen:
Falsch gepaarte DNA-Stränge
werden herausgewaschen
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
4
Laserkamera: Orange Mischfarbe,
wenn Kontroll- und Probe-DNA identisch, sonst rote oder grüne Spots
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
5
Auswertung:
Auswertung der Spotfarben mit
Hilfe eines Computers
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
Auslesen eines DNA-Chips
Ende