Ingo Rechenberg

1. 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

2. Schlüssel/Schloss in der Technik

3. Komplex aus 44 Aminosäuren Verdauungsenzym Schlüssel Schloss pH < 5 pH > 5 ! Magensäure pH = 2 Pepsin Pepsinogen Schlüssel/Schloss in der Biologie aktiv inaktiv ! aufgeschlossen zugeschlossen

4. Wie stellt die Natur ihre Schlüssel-Schloss-Moleküle her ?

5. Konstruktionszeichnung – Gestern

6. Realisation – Gestern

7. 0100011011110010110010111100101011... Konstruktionszeichnung – Heute

8. Realisation – Heute

9. Desoxyribonukleinsäure (DNA-Doppelhelix) Protein (Aminosäurekette) Konstruktionszeichnung – Realisation In der Biologie

10. Nukleotidbasen Aminosäuren Bausteine für die Realisierung Bausteine für die „Konstruktionszeichnung“ Phe TTT TTC Phenylalanin Leu CTT CTC Leucin Ile ATT ATC ATA Isoleucin Met . Methionin Val . Valin Ser . Serin Pro Prolin Thr Threonin Ala Alanin Tyr Tyrosin His Histidin Gln Glutamin Adenin A Asn Asparagin Lys Lysin Thymin T Asp Asparaginsäure Glu Glutaminsäure Guanin G Cys Cystein Try Tryptophan Cytosin C Arg Arginin Gly Glycin

11. Schlüssel-Schloss-Prinzip – Basenpaarung

12. Der Genetische DNA-Code

13. Aminoacyl t-RNA Synthetase Montageplattform Realisierung der genetischen Information Bei der RNA ist Thymin durch Uracyl ersetzt

14. Akzeptor für Aminosäure A A G Phenylalanin t-RNA

15. Aminosäure Aminosäure und ATP docken an Aminoacyl t-RNA Synthetase ATP gibt zwei Phosphatgruppen ab Enzym kehrt in den Originalzustand zurück und verbindet sich mit der Aminosäure t-RNA dockt an AMP wird frei Beladene t-RNA wird freigegeben unbeladene t-RNA

16. 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 !

17. Durch die Aneinanderreihung der „richtigen“ Längen und Winkel eines Polygonzuges entsteht ein Zahnrad. Technisches Formgebungsproblem „Zahnrad“

18. Man stelle sich die 20 Aminosäuren als 20 verschiedene Winkelstücke vor, die zu einer Gelenkkette aneinandergekoppelt werden können.

19. A8-A11-A17-A19-A19-A8-A18-A7-A15-A18-A7-A14-A16-A10-A20-A17-A9-A5-A8-A2A8-A11-A17-A19-A19-A8-A18-A7-A15-A18-A7-A14-A16-A10-A20-A17-A9-A5-A8-A2 Signalmolekül Aufbau einer Gelenkkette mit Rechteckaussparung

20. Zahnradfertigung Proteinfaltung Technisches Formgebungsproblem und biologisches Formgebungsproblem

21. Mit DNA Rechnen

22. Lenonard M. Adleman Der HAMILTON-Weg Vom Start zum Ziel darf jederKnotendes Graphen nur einmal durchlaufen werden. William Rowan Hamilton (1805 - 1865) ADLEMANs Experiment mit seinem TT-100

23. 3 4 2 1 5 6 7 Die Lösung

24. 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 HAMILTON-Weg existiert; wenn sie leer ist melde, dass es keinen gibt !

26. Ziel Aalen Städte-Code Celle Gotha Trier Start Verbindungsmoleküle Basismoleküle

27. Trier Gotha Aalen Gotha

28. Enzym Die Basis-DNA-Se-quenzen kommen in das Reaktionsgefäß

29. Kettenbildungen ! Zur Strategie

30. DNA-Vermehrung durch ein flankierendes Oligonukleotid (Primer) Enzym Polymerase Erhitzen auf knapp 100° C Polymerase-Ketten-ReaktionPolymerase Chain Reaction (PCR) Zur Strategie

31. DNA-Vermehrung durch zwei flankierende Oligonukleotide (Primer) Erhitzen auf knapp 100° C Polymerase-Ketten-ReaktionPolymerase Chain Reaction (PCR)

32. DNA-Vermehrung durch zwei flankierende Oligonukleotide (Primer) Aalen Polymerase-Ketten-ReaktionPolymerase Chain Reaction (PCR) Zur Strategie

33. Gel-Elektrophorese DNA-Probe Langes Fragment Kurzer Weg Anode Kathode Kurzes Fragment Langer Weg Zur Strategie

34. Affinitätsselektion Zur Strategie

35. Affinitätssektion Zur Strategie

36. ADLEMANs Experiment hat 7 Tage gedauert Zur Strategie

37. Programmiersprache für DNA-Computing • Input input(tube t) Input definiert eine Eingabe, mit der im Folgenden gearbeitet werden kann. • Detect detect(tube t) Detect testet, ob in einer Lösung noch DNA-Moleküe vorhanden sind und liefert True bzw. False zurück. Damit entspricht Detect der kombinierten Anwendung von PCR und Elektrophorese. • Amplify amplify(tube t) to (tube t1) and (tube t2) Die Amplify Operation erzeugt zwei Kopien einer Lösung und entspricht damit reiner Anwendung der PCR. • Merge merge(tube t1, tube t2) Merge liefert die Vereinigung zweier Mengen zurück, entspricht damit dem Vermischen zweier Lösungen. • Seperate +(tube t, word w) Die normale Plus-Seperate Operation liefert all die Wörter aus der Menge t zurück, die den Teilstring w enthalten. Es entspricht dem Filtern einer Lösung mittels magnetischer Partikel. −(tube t, word w) Das Minus-Seperate arbeitet analog und liefert all die Wörter, die nicht den Teilstring w enthalten. L(tube t, int n) L-Seperate liefert alle Wörter zurück, die kürzer als der Parameter n sind. Das entspricht der Auftrennung nach Länge mittels Gelelektrophorese. B(tube t, word w) Das B liefert alle Wörter zurück, die mit w beginnen. E(tube t, word w) Analog liefert E alle Wörter zurück, die auf w enden. Beiden entspricht PCR mit den jeweiligen Primern. http://www.marinero.de/bioinformatics/dnacomputing.pdf Quelle: Ralf Eggeling DNA computing

38. Programm-Beispiele Beispiel 3: (1) input(N) (2) N = B(N, s0) (3) N = E(N, s6) (4) N = L(N, 140) (5) for(i = 1; i < 6; i++) { N = +(N, si) } (6) detect(N) Beispiel 2: (1) input(N) (2) amplify(N) to N1 and N2 (3) NA = +(N01,A0) (4) NG = +(N02,G0) (5) N0A = −(NA,0 G0) (6) N0G = −(NG,0 A0) (7) N = merge(N0A ,N0G) Beispiel 1: (1) input(N) (2) N = +(N0,A0) (3) N = +(N0,G0) (4) detect(N) Das einfache Beispiel1 liefert all die Wörter aus der Eingabemenge zurück, die sowohl A als auch G enthalten. Der Algorithmus in Beispiel2 realisiert ein ausschließendes Oder. Er liefert alle Wörter zurück, die entweder ein A oder aber ein G enthalten, aber nicht beides . Beispiel3 ist eine formale Schreibweise von Adlemans Experiment. http://www.marinero.de/bioinformatics/dnacomputing.pdf Quelle: Ralf Eggeling DNA computing

39. 2 3 1 Lösung Beispiel für eine „tube separation“ SAT-Problem extrahiere z=1 extrahiere x=0 Erfüllbarkeitsproblem (Satisfiability Problem) kombiniere x=0 z=1 1 extrahiere y=0 extrahiere x=1 kombiniere x=1 y=0 2 extrahiere z=0 Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr? extrahiere y=1 kombiniere y=1 z=0 3

40. Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr (=1)? Erfüllbarkeitsproblem Logische Funktion a v b a b b b a a v a ¬ a 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 „oder“ „nicht“ „und“

41. 2 3 1 Lösung Beispiel für eine „tube separation“ SAT-Problem extrahiere z=1 extrahiere x=0 Erfüllbarkeitsproblem (Satisfiability Problem) kombiniere x=0 z=1 1 extrahiere y=0 extrahiere x=1 kombiniere x=1 y=0 2 extrahiere z=0 Für welche Werte x, y, z ist die Aussage wahr? extrahiere y=1 kombiniere y=1 z=0 3

42. Elektronische Informationsverarbeitung Molekulare Informationsverarbeitung

44. Die Organisation und Komplexität aller Lebewesen basiert auf einer Codierung mit vier verschiedenen Basen im DNA-Molekül. Dadurch stellt die DNA ein Medium dar, welches für die Datenverarbeitung perfekt geeignet ist. Nach verschiedenen Berechnungen würde ein DNA-Computer mit einer Flüssigkeitsmenge von einem Liter und darin enthaltenen sechs Gramm DNA eine theoretische Speicherkapazität von 3072 Exabyte ergeben. Auch die theoretisch erreichbare Geschwindigkeit wegen der massiven Parallelität der Berechnungen wäre enorm. Pro Sekunde ergeben sich etwa 1 Million Tera-Operationen, während die leistungsfähigsten Computer heute gerade mal eine Tera-Operation pro Sekunde erreichen.

45. Biochip oder Schlüssel-Schloss-Array Markierte Positiv-Moleküle Bis zu 100000 verschiedene Gruppen von Negativ-Molekülen auf Unterlage fixiert. Je 10 Mill. Moleküle

46. Der DNA Chip

47. 1 Glas-Objektträger mit Mikroarray: Messpunkte (Spots) mit individuellen einzelsträngigen DNA-Stücken bekannter Sequenz DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

48. 2 Fluoreszenzmarkierung Hybridisierung: Unbekannte DNA-Probe Kontroll-DNA DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

49. 3 Waschen: Falsch gepaarte DNA-Stränge werden herausgewaschen DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis

50. 4 Laserkamera:Orange Mischfarbe, wenn Kontroll- und Probe-DNA iden- tisch, sonst rote oder grüne Spots DNA-Chip auf Oligonukleotid-Basis