Tanja Steiner & Helmut Dier Bio- und Nanostrukturen, Biosensoren

Tanja Steiner & Helmut Dier

Bio- und Nanostrukturen, Biosensoren

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“

Nervensignal

• Entstehung im Zellkern

• Signalverlauf entlang der Nervenfaser (Axon) Länge der Nervenfaser: 1cm - 1m

Zellkern

Enthält u. a. für den Stoffwechsel wichtige Organellen

Mitochondrien Energiegewinnung

Endoplasmatisches Retikulum: Synthese der von der Zelle benötigten Eiweißstoffe (Proteine)

www.diezelle.de

Nervenfaser

• Isolierend durch die Myelinhülle umgeben

• Fortpflanzung des Nervensignals über die Ranvierschen Schnürlinge

Synapsen

• Ende der Nervenfaser im synaptischen Endknöpfchen.

• Kontakt zwischen Zellkörper und den von ihm ausgehenden Dentriten mit anderen Nervenfasern.

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

Zellmembran

Für Säugetiere:

Zwei Schichten vier verschiedener Phosphatmolekülschichten mit Unterschieden in den dipolaren Enden N und O.

Strommessung

Messung des Ionenstromes eines einzelnen Übertragungskanals

Pipettenlösung verursacht Durchlassmechanismus.

Messschema

S-Layers (Surface Layers)

• Kristalline Schichten auf äußerer Zellmembran

• Aufbau durch Selbstorganisation

• Bildung wegen– Umweltbedingungen– ök. Bedingungen

Picture by: Margit Sára and Uwe Sleytr

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)

Anwendung und Eigenschaften

• Rekristallisation als Monolayers auf – Festen Trägern– Wasser/Luft Grenzfläche– Lipidfilmen– Liposomen

• Poren:– Gleich groß– Gleiche Morphologie

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

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

Biotechnische AnwendungenFilteraufbau

Ultrafiltermembran Anbinden funktionaler Moleküle

U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034

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

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

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

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

Erkennungsprobleme

• Kontrast• Gestaltung• Geometrische

Anordnung• Überlappungen

Vorgabe gezielter Such-Strategien

Objekttrennung und Be-wertung z. B. durch Einsatz von Filtern

Template Matching

Einfachste Methode: Bildsubtraktion

Vergleichsbild: ideales Muster

Prüfbild: muss idealem Muster entsprechen

Ergebnis:mögliche Defekte

Feature Matching

Vergleich findet nicht auf Grund von Pixelwerten statt sondern ist merkmalsorientiert.

• Verringerung der Datenmenge

• Zeitersparnis • Effiziente Fehlererkennung• kein Positionierungsproblem • Problem: Merkmalsdefinition

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

.

BildrekonstruktionErstellung des 3d Bildes

durch Modellierung aus

Schichtbildern.

Problem:

keine Information zwischen den

Teilschritten, die Form wird

approximiert, Rekonstruktion

nach Modellwissen.

Ausblick auf die „Nanowelt“Lernende Selbstorganisation in Anlehnung an die Evolution

H.Lipson in Nano-Physics & Bio-Electronics, Elsevier 2002