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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
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