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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
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Ein Schlüssel-Schloss-MolekülPepsinPepsinogen
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Wie stellt die Natur ihre
Schlüssel-Schloss-Moleküle her ?
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Konstruktionszeichnung – Realisation Gestern
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Konstruktionszeichnung – Realisation Heute
0100011011110010110010111100101011 . ..
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Konstruktionszeichnung – Realisation In der Biologie
Desoxiribonukleinsäure (DNA-Doppelhelix)
Protein (Aminosäurekette)
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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
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Schlüssel-Schloss-Prinzip – Basenpaarung
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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
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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
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Phenylalanin t-RNA
AAG
Akzeptor für Aminosäure
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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
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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
!
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Technisches Formgebungsproblem „Zahnrad“
Durch die Aneinanderreihung der „richtigen“ Längen und Winkel eines Polygonzuges entsteht ein Zahnrad.
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Man stelle sich die 20 Aminosäuren als 20 verschiedene Winkelstücke vor, die zu einer Gelenkkette aneinandergekoppelt werden können.
A20
A19
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A20
A19
A19
Aufbau einer Gelenkkette mit Rechteckaussparung
Signalmolekül
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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
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Proteinfaltung
Zahnradfertigung
Technisches Formgebungsproblem und biologisches Formgebungsproblem
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Mit DNA Rechnen
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Start Ziel
Der HAMILTON-Weg
Vom Start zum Ziel darf jeder Knoten des Graphen nur einmal durchlaufen werden.
ADLEMANs Experiment
Lenonard M. Adleman
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Start Ziel
Die Lösung
![Page 22: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050804/55204d6749795902118bd72c/html5/thumbnails/22.jpg)
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 !
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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
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Städ
te-C
ode
Verb
indu
ngsm
olek
üle
Celle
Aalen
Trier
Gotha
Basismoleküle
Ziel
Start
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Trier Gotha
Gotha Aalen
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Die Basis-DNA-Se-quenzen kommen in das Reaktionsgefäß
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2
1
3
5
Kettenbildungen
4!
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Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)
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Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)
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Polymerase-Ketten-Reaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)
Aalen
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Gel-ElektrophoreseD
NA
-Pro
be
Anode
Kathode
Langes FragmentKurzer Weg
Kurzes FragmentLanger Weg
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4
5
Affinitätssektion
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5
Affinitätssektion
4
Eisen
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ADLEMANs Experiment hat 7 Tage gedauert
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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)
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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“
![Page 37: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050804/55204d6749795902118bd72c/html5/thumbnails/37.jpg)
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
![Page 38: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050804/55204d6749795902118bd72c/html5/thumbnails/38.jpg)
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“
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Informations- verarbeitung
ElektrischeImpulse
ElektrischeImpulse
Informations- verarbeitung
Molekül-Strukturen
Molekül-Strukturen
ElektronischeInformationsverarbeitung
MolekulareInformationsverarbeitung
![Page 40: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050804/55204d6749795902118bd72c/html5/thumbnails/40.jpg)
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
![Page 41: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050804/55204d6749795902118bd72c/html5/thumbnails/41.jpg)
Der DNA Chip
![Page 42: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050804/55204d6749795902118bd72c/html5/thumbnails/42.jpg)
Glas-Objektträger mit Mikroarray:
Messpunkte (Spots) mit individuellen
DNA-Oligomeren bekannter Sequenz
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
1
![Page 43: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050804/55204d6749795902118bd72c/html5/thumbnails/43.jpg)
Hybridisierung:
Unbekannte DNA-Probe
Kontroll-DNA
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
2 Fluoreszenzmarkierung
![Page 44: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050804/55204d6749795902118bd72c/html5/thumbnails/44.jpg)
Waschen:
Falsch gepaarte DNA-Stränge
werden herausgewaschen
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
3
![Page 45: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050804/55204d6749795902118bd72c/html5/thumbnails/45.jpg)
Laserkamera: Orange Mischfarbe,
wenn Kontroll- und Probe-DNA iden-
tisch, sonst rote oder grüne Spots
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
4
![Page 46: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050804/55204d6749795902118bd72c/html5/thumbnails/46.jpg)
Auswertung:
Auswertung der Spotfarben mit
Hilfe eines Computers
DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis
5
![Page 47: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050804/55204d6749795902118bd72c/html5/thumbnails/47.jpg)
Auslesen eines DNA-Chips
![Page 48: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Das molekulare Schlüssel-Schloss-Prinzip Die universelle Technologie des Lebens](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050804/55204d6749795902118bd72c/html5/thumbnails/48.jpg)
Ende