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Nanotechnologie mit Biomolekülen
Josef Riedl 06 / 2004 — http://josef.riedl.org
NanotechnologieNanotechnologiemit Biomolekülenmit Biomolekülen
Nanotechnologie mit Biomolekülen
Josef Riedl 06 / 2004 — http://josef.riedl.org
EinführungEinführung
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
DNA-Pinzette
ATPase-Propeller
DNA-Computer I
DNA-Computer II
Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
Grundlegendes
Natur als Vorbild
Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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EinführungEinführung
• Nanotechnologie =Strukturen und Prozesse imNanometer-Maßstab
• 1 nm = 1/1000 µm == 1/1 000 000 mm= 10 Å
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
DNA-Pinzette
ATPase-Propeller
DNA-Computer I
DNA-Computer II
Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
Grundlegendes
Natur als Vorbild
Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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EinführungEinführung
• Nanoröhren und Nanodrähte
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
DNA-Pinzette
ATPase-Propeller
DNA-Computer I
DNA-Computer II
Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
Grundlegendes
Natur als Vorbild
Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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EinführungEinführung
• Nanoröhren und Nanodrähte
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
DNA-Pinzette
ATPase-Propeller
DNA-Computer I
DNA-Computer II
Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
Grundlegendes
Natur als Vorbild
Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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EinführungEinführung
• Nanomotoren
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
DNA-Pinzette
ATPase-Propeller
DNA-Computer I
DNA-Computer II
Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
Grundlegendes
Natur als Vorbild
Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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EinführungEinführung
• Nano-Kugellager
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
DNA-Pinzette
ATPase-Propeller
DNA-Computer I
DNA-Computer II
Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
Grundlegendes
Natur als Vorbild
Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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EinführungEinführung
• Nano-Datenspeicher
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
DNA-Pinzette
ATPase-Propeller
DNA-Computer I
DNA-Computer II
Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
Grundlegendes
Natur als Vorbild
Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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AnwendungenAnwendungen
1) Strukturen, Leiter, Schaltkreise
2) Assembly
3) Antriebe, Roboter
4) Computer und Datenspeicher
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
DNA-Pinzette
ATPase-Propeller
DNA-Computer I
DNA-Computer II
Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
Grundlegendes
Natur als Vorbild
Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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AnwendungenAnwendungen
• Vorstellung:Kombinierte, komplexeMaschinen im Nanomaßstab;in Komplettfertigung
• Derzeit Realität:Baukasten; Komponenten ausverschiedensten Bereichen
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
DNA-Pinzette
ATPase-Propeller
DNA-Computer I
DNA-Computer II
Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
Grundlegendes
Natur als Vorbild
Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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Der NanokosmosDer Nanokosmos
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
DNA-Pinzette
ATPase-Propeller
DNA-Computer I
DNA-Computer II
Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
Grundlegendes
Natur als Vorbild
Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos• Abmessungen: nm - Bereich
• Kräfte: pN - Bereich
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
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ATPase-Propeller
DNA-Computer I
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Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
Grundlegendes
Natur als Vorbild
Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos• Beispiel: Auto im Hagel
Geschwindigkeit: 1 km/h(1/10 Länge pro sec)
Kraft: 1/1000000 × Gewicht
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
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Bio-Nanotechnologie
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Nanomanipulation
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Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos• Vergleich: Protein in Wasser
Geschwindigkeit: 3.6 mm/h(10 × Länge pro sec)
Kraft: 1000 × Gewicht(10 pN)
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
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Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
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Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos• BROWN-Ratsche
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Der Nanokosmos
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Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos
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Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
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Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos
• Zwei Zufallsbewegungen erzeugen Richtungsbewegung
• Beispiel: Actin/Myosin
Einführung
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Der Nanokosmos
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Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
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Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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Natur/Zelle als VorbildNatur/Zelle als Vorbild
• Komplettsystem im nm-Maßstab
• Strukturen• Motoren• Datenspeicher und Verarbeitung
• Beispiel: Bewegung
Einführung
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Der Nanokosmos
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Bio-Nanotechnologie
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Nanotechnologie mit Biomolekülen
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Natürliche Natürliche NanomotorenNanomotoren1) Lineare Bewegung:
Actin und Myosin (Muskel)Kinesin/Dynein und MikrotubuliPolymerasen
Einführung
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Der Nanokosmos
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Natürliche Natürliche NanomotorenNanomotoren2) Drehbewegung:
F1FO-ATPaseBakterielle Geißel
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Der Nanokosmos
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Natürliche Natürliche NanomotorenNanomotoren3) Spezialfälle
Viruscapsid:Linearer DNA-Transportdurch einen „Rotor“
Einführung
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Natürliche Natürliche NanomotorenNanomotoren
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Natürliche Natürliche NanomotorenNanomotoren
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Anwendungen
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NanomanipulationNanomanipulation
Einführung
Anwendungen
Der Nanokosmos
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Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
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NanomanipulationNanomanipulation
Fixierung einzelner Moleküle:
• Anheften an ‚beads‘ oder Oberflächen
• Laser-Falle
• Mikro-Nadeln
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NanomanipulationNanomanipulationEinführung
Anwendungen
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NanomanipulationNanomanipulation
Beobachtung einzelner Moleküle:
• Fluoreszenz
• indirekt (Biegung der Mikronadel etc.)
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NanomanipulationNanomanipulation
Konstruktion
• Manipulation einzelner Moleküle
• Self-Assemblyz.B. Expression modifizierter Proteine
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Bio-NanotechnologieBio-Nanotechnologie
1) Strukturen, Leiter, Schaltkreise
2) Assembly („Werkzeuge“)
3) Antriebe, Roboter
4) Computer und Datenspeicher
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Der Nanokosmos
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DNA-PinzetteDNA-PinzetteEinführung
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DNA-PinzetteDNA-PinzetteEinführung
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DNA-PinzetteDNA-PinzetteEinführung
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DNA-PinzetteDNA-PinzetteEinführung
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ATPase-PropellerATPase-Propeller
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ATPase-PropellerATPase-Propeller
Vorhanden:• Nanostrukturen
(z.B. aus Metall geätzt)• Biologische Motoren
(z.B. ATPase)
Gesucht:• Kombination
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ATPase-PropellerATPase-Propeller
Komponenten eines Hybrids:• Basisstruktur:
Nickel-Oberfläche
• Propeller aus Nickel
• F1-Teil der ATPase als Herzstück
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ATPase-PropellerATPase-PropellerEinführung
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ATPase-PropellerATPase-Propeller
Arbeitstechniken:
• Ätzen von Ni-Oberflächen• Modellierung per e-Beam
• Coating von Metallteilen mit Peptiden
• Ni / His-Tag• Cys / Biotin / Streptavidin
Einführung
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Der Nanokosmos
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ATPase-PropellerATPase-PropellerEinführung
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ATPase-PropellerATPase-PropellerEinführung
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ATPase-PropellerATPase-Propeller
Probleme:
• Ausbeute: 5 von 400
• Geschwindigkeitsvariationen
• Unspezifität der Anheftung
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ATPase-PropellerATPase-Propeller
Erfolge:
• Echte Hybrid-Konstruktion
• Antrieb allein durch ATP
• Arbeitsdauer 2 h, 1-8 rps
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DNA-Computer IDNA-Computer I
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DNA-Computer IDNA-Computer I
• DNA = Informationsspeicher
• Computer:
Input > Berechnung > Output
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DNA-Computer IDNA-Computer I
• Hamiltonian Path Problem(Handlungsreisenden-Problem)
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DNA-Computer IDNA-Computer I
• Lösung: AusprobierenComputer: nacheinander
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DNA-Computer IDNA-Computer I
Alternativ:
1) Zufällige Wege2) Ausfiltern: Start/Ziel korrekt?3) Ausfiltern: Länge korrekt?4) Ausfiltern: alle Orte besucht?5) Rest = Lösung
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DNA-Computer IDNA-Computer I
DNA als Codierung:
20 bp-ZufallssequenzenEindeutig pro Punkt und Weg
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DNA-Computer IDNA-Computer I
Zufällige Pfade: Ligation
Gleichzeitig alle möglichen Pfade!
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DNA-Computer IDNA-Computer IAusfiltern von Start/Zielpunkt:
PCR mit 0 und 6, Amplifikation
Ausfiltern der korrekten Länge:AgarosegelAusschneiden der 140 bp-Bande
usw.
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DNA-Computer IDNA-Computer I
Kein biomolekularer Computer
Keine Weiterentwicklung
„Spielzeug“ oder visionäre Idee?
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DNA-Computer IIDNA-Computer II
Einführung
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DNA-Computer IIDNA-Computer II
Pharmakologische Diagnose:
• Messung (=Input)• Verrechnung der Daten
(=Programm)• Diagnose und Medikation
(=Output)
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DNA-Computer IIDNA-Computer II
Beispiel:
• Expressionslevel mehrerer Gene
• Diagnose: Tumorzelle?• Freisetzung von Blockern
... direkt in der Zelle (in situ)?
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DNA-Computer IIDNA-Computer II
Echter molekularer Computer:
• Input = mRNA• Programm = RNA
Hardware = Restriktionsenzym
• Output = RNAi
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DNA-Computer IIDNA-Computer II
Beispiel: Prostata-Krebs
PPAB2BGSTP1PIM1HPN
=> GTTGGTATTGCACAT
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DNA-Computer IIDNA-Computer II
PPAB2B
GSTP1
PIM1
HPN
GTTGGTATTGCACAT
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ja
janein
janein
janein
janein
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DNA-Computer IIDNA-Computer IIEinführung
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DNA-Computer II
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DNA-Computer IIDNA-Computer IIEinführung
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DNA-Computer IIDNA-Computer IIEinführung
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Der Nanokosmos
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ATPase-Propeller
DNA-Computer I
DNA-Computer II
Bio-Nanotechnologie
SchlussbetrachtungReferenzen
Grundlegendes
Natur als Vorbild
Nanomanipulation
Nanotechnologie mit Biomolekülen
Josef Riedl 06 / 2004 — http://josef.riedl.org
DNA-Computer IIDNA-Computer IIEinführung
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DNA-Computer IIDNA-Computer II
Erfolge
• Variable, auch relativ komplexe Programme sind möglich
• Aktuelle ssDNA- und RNAi-Medikamente verwendbar
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Probleme
• Wahl der Oligonucleotide
• In der Zelle in dieser Formnicht einsetzbar!
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SchlussbetrachtungSchlussbetrachtung
• Nanotechnologie =Technologie der
Zukunft
• Revolutionäre Entwicklungenvgl. Computer im 20. Jh.
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Mögliche Einsatzgebiete:
• Zusätzliche Miniaturisierung
• Nanoroboter
• Intelligente Oberflächen
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Biologie = Schlüsseltechnologie
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Problemlösung
NatürlichesModell
Technik,Manipulation+
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EndeEnde
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Nanotechnologie mit Biomolekülen
Josef Riedl 06 / 2004 — http://josef.riedl.org
Referenzen (Auswahl)Referenzen (Auswahl)• ATPase-Propeller: Powering an Inorganic Nanodevice with
a Biomolecular Motor, Science 290 (2000), 1555
• Nanomanipulation: Single molecule nanomanipulation of biomolecules, Trends in Biotechnology 19 (2001), 211
• DNA-Computer: An autonomous molecular computer for logical control of gene expression, Nature 429 (2004), 423
• ...
• http://josef.riedl.org/nanotech.pdf
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