20.

Themenfolge der Vorlesung

1. Grenzleistung elementarer biologischer Sensoren

2. Integrierte (exotische) Sensorsysteme in der Natur

3. Der Biosensor als bionisch/biotechnologisches Zwittersystem

4. Ungewöhnliche Biosensoren nach dem Vorbild der Natur

5. Signalwandlung und Signalverarbeitung in Biosensoren

6. Das Neuron als analog/digitales Rechenelement

7. Die Inhibition – Leistung einer elementaren Neuronenschaltung

8. Struktur und Arbeitsweise Neuronaler Netzwerke

9. Rechnen mit Molekülen (DNA-Chips und DNA-Computing)

Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung Bionik II (Biosensorik / Bioinformatik)

Grenzleistungen biologischer Rezeptoren

Chemorezeptor, Photorezeptor, Mechanorezeptor

Leistung einesChemorezeptors

Molekülfänger eines Seidenspinnermännchens

MolekülkescherAntenne

Wird im Experiment ein Schmetterlingsmännchen 1 s lang von einem Duftstrom mit 2 000 Bombykolmolekülen/cm3 und einer Windgeschwindigkeit von 60 cm/s angeblasen, so löst dies einen Suchflug windaufwärts aus. Im Freien tastet das Männ-chen chemisch die Geruchsfahne ab, kehrt immer wieder in den Luftstrom höchster Duftmoleküldichte zurück und findet so das Weibchen. Durch diese Chemotaxis kann ein Männchen auf 1

km Entfernung ein Weibchen z. B. in 12 min finden. Bis zu 10 km weite Suchflüge sind möglich.

Käfig mit

1 km

12 min

Geruchsfahne

Zahl der Moleküle pro Kubik-zentimeter Luft = 2,687· 1019

27 Trillionen

CH2

CCH2

CH2 CH2CH2CH2CH2 CH2CH2CH2OHCH2CH3

CC C

HH H

H

Bombykol

Sexuallockstoff

Synthetische Herstellung mit Markierung durch Tritium möglich (Tritium = radioaktiver Wasserstoff mit 2 Neutronen im Kern)

Seidenspinnerweibchen

Der Nobelpreisträger Adolf Butenandt benötigte 17 Jahre und 750 000 Seiden-spinnerweibchen, um 1959 die chemische Struktur von Bombykol aufzuklären.

Adolf Butenandt 1903 - 1995

Luftstrom mit Tritium markiertem Bombykol zunehmender Konzentration

Schwirr-Reaktion

Zahl der absorbier-ten Moleküle über den radioaktiven Zerfall ≈ 300

Gesamtzahl der Rezeptoren = 30 000

PoreDendritenLiquor

Sinneszellen

Mikroelektrode

V

Riechsensillen

Kontrollexperiment zur Bestimmung der Riechschwelle

Anstechen mit einer Mikroelektrode

Als Elektroden verwendet man Glaskapillar-Mikroelek-troden. Dies sind hauchdünn ausgezogene Glaskapil-laren, in die ein Silberdraht hineinführt, der im Innern der Kapillare mit einer Schicht von Silberchlorid über-zogen ist. Der Innenraum der Glaskapillare ist mit einer konz. KCl-Lösung gefüllt (sog. Elektrolytsäule).

Sobald die feine Kapillarspitze durch die Membran ein-gedrungen ist, steht das Cytoplasma der Zelle über jene dünne Elektrolytsäule mit dem Silberdraht in Verbin-dung. Das Membranpotential wird also immer als intra-zelluläres Potential relativ zum extrazellulären Potential angegeben. Das extrazelluläre Potential ist willkürlich als Null definiert.

Aufbau einer Mikroelektrode

S ilberdrah t

G lasröhrchenA gC l-Ü berzug

K onzentrierteK C l-Lösung

Ö ffnungs-1 b is 0 ,1µ m

Ø

PoreDendritenLiquor

Sinneszellen

Mikroelektrode

V

Riechsensillen

Bestimmung der während eines gegebenen Zeitintervalls absor-bierten, Tritium markierten Duft-moleküle (z. B. 300).

Einmoleküldetektion !

Anstechen einer Duftsinneszelle mit einer Mikroelektrode.

Die Häufigkeit einer beobachteten Potenzialänderung stimmt mit der berechneten Wahrscheinlichkeit (z.

B. 1/100 bei 30 000 Rezeptoren) für einen Einmolekültreffer überein.

Der Aal und seine Nase

~ 45 000 Riechsinneszellen

Duftstoff

Wahlapparatur für die Röhrendressur eines Aals

Aalversteck Gummiröhre

(Harald Teichmann, 1956)

Phenylethylalkohol(Rosenduft)

Aal wird dressiert, nur diejenige Röhre als Versteck zu wählen, durch die der Duftstoff strömt.

Versuchsbecken (40×25×9 cm)

12,4 cm langer Versuchsaal

Durch eine Röhreströmt Rosenduftwasser

Andressur des Aals mit fortschreitender Verdünnung des Duftstoffes -Phenylethylalkohol

Hara

ld T

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al. Z

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l. 42

(195

9), S

.206

-254

.

Die Schlussphase des 2. Verhaltensexperiments ─ Erreichen der Riechschwelle des Aals

Inhalt der Nase des 12,4 cm langen Versuchsaals: 0,30 mm3

Rechnerisch befindet sich im Aalnasenvolumen nur ein halbes Molekül

Einmoleküldetektion

Formel zur Berechnung der Molekülzahl MZ pro cm3

MZ

Substanzmenge [g] × AvogadrozahlMolmasse [g] × Volumen [cm3

]

Avogadrozahl = 6,022 · 1023

Riechschwelle Aal: 1766 Moleküle / cm3 Wasser

Überlingen

MeerburgFriedrichshafen

Lindau

Bregenz

Konstanz

Grenzempfindlichkeit der Aalnase veranschaulicht

-Phenylethylalkohol

1/5 Tropfen

C8H10O

0,1 g

!

Brandmittel-SpürhundRauschgift-Spürhund

Sprengstoff-SpürhundLawinenhundBiosensor Hundenase

,Ein kurzes Schnuppern mit der Hundenase, und die Diagnose steht fest. Mit ihren verblüffenden Riechkünsten sollen die Vierbeiner mehreren Studien zufolge Krebs erschnüffeln können - und zwar am Atem der Patienten.

Das Aufsehen erregende wissenschaftliche Werk basiert auf einer seit langem anerkannten Theorie – Tumore enthalten Benzol sowie winzige Spuren alkalischer Derivate, die in gesundem Gewebe nicht vorkommen. Und diese Substanzen können darauf trainierte Hunde erschnüffeln. Studien-Fazit also: Hunde riechen, wenn ein Mensch Krebs hat. Wobei Lungenkrebs im Mittelpunkt dieser wissenschaftlichen Betrachtungen der Pine Street Foundation in Marin County California steht. Faszinierend die Erfolgszahl der Vierbeiner: Sie lagen in 99 Prozent der Fälle richtig.

Ehemalige Cargolifter-Halle:

Länge: 360 mBreite: 210 mHöhe: 107 m

Volumen: 5,5 Millionen m3

1,6 Millionstel Gramm Buttersäure in der Halle kann ein Hund noch riechen !

Jetzt „Tropical Islands“

2000 Moleküle/cm3

225 Mio.147 Mio. 126 Mio.

6 Mio.

Schäferhund Foxterrier Dackel Mensch

Anzahl der Riechsinneszellen

Hundenase

Gaschromatograph

Hundenase

kontra

Gewinnt immer noch die Hundenase !

Chemosensoren in den inneren Organen des Menschen

Chemosensoren der Leber, die den Glukosespiegel registrieren

Chemosensoren im Glomus caroticum und im Glomus aorticum, die einen Sauerstoffmangel (Hypoxie) registrieren.

Chemosensoren im Atemzentrum im verlängerten Rückenmark (Medulla oblongata), die den Blut-pH und den pCO2 (Kohlendioxid-Partialdruck) messen.

Süß – ausgelöst durch Zucker und Zuckerderivate sowie einige Aminosäuren, Peptide oder Alkohole und SüßstoffeSalzig – ausgelöst durch Speisesalz wie durch einige andere MineralsalzeSauer – ausgelöst durch Saure Lösungen und organische SäurenBitter – ausgelöst durch eine Vielzahl verschiedener Stoffe (Bitterstoffe)Umami – ausgelöst durch die Aminosäuren Glutaminsäure und Asparaginsäure (Geschmacksverstärker)

Chemosensoren des Geschmacks

Leistung einesPhotorezeptors

100 W = 100 J/sn ≈ 60 Photonen /s

Pupille:A = 0,5 cm

2

n0= 6·1018 Photonen /s

Energie eines Photons: Jm

smJschE 199

834106,3][10550

]/[103][1062,6

Plancksches Wirkungsquantum

Lichtwellenlänge

Lichtgeschwindigkeit

Annahme: Nur 2% der von der Glühlampe ausgesendeten Photonen liegen im maximalen Empfindlichkeitsbereich des Auges (um 550 nm).

km60040

n

nAr

3·10

20 Photonen/s

Gilt nur im Weltraum: Bei sehr klaren Wetterbedingungen wird die Intensität eines Lichtstrahls pro 100 km auf etwa 1/3 seiner Ausgangsstärke abgeschwächt.

Minimale Reizenergie ≈ 2·10 -17 J

?r

024 nn

rA

Pupilleneintrittsfläche

Kugeloberfläche

n ≈ 60 Photonen /s

Von der „Schrotladung“ der 60 Photonen treffen nur 10 auf Rezeptoren der Netzhaut !

Photorezeptor des Pfeilschwanzkrebses reagiert ebenfalls auf ein Lichtquant

Der Pfeilschwanzkrebs gilt als lebendes Fossil, da er sich seit 175 Millionen Jahren morphologisch kaum verändert hat

Ein Photorezeptor misst ein Lichtquant

Leistung einesMechanorezeptors

Das Vater-Pacini-Körperchen reagiert auf Eindellungen der Haut. Das bedeutet, dass es besonders auf Druck reagiert. Das Vater-Pacini-Körperchen liegt im Übergangsbereich von Lederhaut und Unterhaut.

Das Meissner-Körperchen rea-giert empfindlich auf Berührung. Es ist besonders zahlreich in den Fingerkuppen. Mit dem Meiss-ner-Körperchen können wir die Oberfläche und die Ausdehnung von Gegenständen fühlen.

Mechanorezeptoren

Die Haarzelle reagiert auf mecha-nische Verschiebungen. Haarzel-zellen gibt es im Seitenlinienorgan der Fische, und mit Haarzellen sind wir in der Lage zu hören. Haarzellen sind die empfindlich-sten Mechanorezeptoren.

7,5 mm

150

m

0,3 nm

5 μm

An der Hörschwelle

0,1

nm

Wasserstoffatom

Empfindlichkeit einer Haarzelle

10 mV

Mechanischer Schub

Mensch: Vergleich Auge / Ohr

Minimale Reizenergie ≈ 2 · 10 -17 J

Minimale Reizenergie ≈ 5 · 10 -18 J

Entspricht der Energie von 60 Photonen (550 nm)

Thermorezeptor

Hygrorezeptor

Elektrorezeptor

Magnetorezeptor

Thermorezeptor

Hygrorezeptor

Elektrorezeptor

Magnetorezeptor

Chemorezeptor

Photorezeptor

Mechanorezeptor

Wie funktioniert ein biologischer Rezeptor ?

Wie erklärt sich die unglaublich hohe Empfindlichkeit ?

Ruhepotential einer Nervenzelle

- 70 mV

0

Wie entsteht ein Ruhepotenzial ?

Nerven- und Sinneszellenpotenziale entstehendurch Ionenströme, die durch veränderliche Po-ren der Zellmembran fließen. Um die Zahlenver-hältnisse der beteiligten Ionen zu veranschauli-chen, wird eine Volumenelement betrachtet. DieZellmembran teilt dieses Volumen in zwei gleichgroße Hälften von 1 µm Breite, 1 µm Höheund 0,001 µm Tiefe.

Tiefe überhöht dargestellt !

IntrazelluläresTestvolumen

extrazelluläresTestvolumen

Im intrazellulären Testvolumen von 10

-12 mm3

befinden sich 100 000 + 6 Kaliumionen, 10 000Natriumionen, 2 200 Chloridionen und 107 800+ 6 negativ geladene Aminosäuremoleküle. Dasgleich große extrazelluläre Testvolumen enthält2 000 Kaliumionen, 108 000 Natriumionen und110 000 Chloridionen. Wir messen die Span-nungsdifferenz 0 V.

0 mV

100000 +

10000

2200

107800 +

K

NaCl

A

+

+ 2000 K+

108000 Na+

110000 Cl

0 mV

100000 +

10000

2200

107800 +

K

NaCl

A

+

+ 2000 K+

108000 Na+

110000 Cl

Gedachte Anfangszustand

!

-90 mV-90 mV

Die Zellmemran besitzt Poren, durch die speziell die Kaliumionen hindurchgelassen werden. Wegen der Konzentrationsdifferenz beginnen Kaliumionennach außen zu diffundieren. Es baut sich eineelektrische Gegenkraft auf. Bei 6 aus dem Test-volumen herausdiffundierten Kaliumionen ist die-se Gegenkraft im Gleichgewicht mit der Diffusi-onskraft. Wir messen eine Spannung von -90 mV.

Zum Anfangszustand

-70 mV-70 mV

Die Zellmembran besitzt einige Poren, durch dieauch die größeren Natriumionen hindurchtretenkönnen. Wegen der höheren extrazellulären Na-triumkonzentration diffundieren langsam Natrium-ionen in das Zellinnere. Deshalb fördert einevom Stoffwechsel betrieben Natriumpumpe Natri-umionen nach außen. Es stellt sich eine neue Gleichgewichtsspannung von -70 mV ein.

Zum Anfangszustand

Ohne diese Pumpe stirbt die Zelle

Wie entsteht ein Rezeptorpotenzial ?

mV

Ein Reiz verändert die Durchlässigkeit der Zell-membran, hier die Durchlässigkeit für Natrium- ionen. Extrazelluläre Natriumionen diffundieren schlagartig in das Zellinnere. Die Spannungsteigt an. Ein mechanischer Reiz könnte dieMembranporen durch Deformation öffnen, ein chemischer Reiz durch Anbindung der Signalmo-leküle an Membranschlösser diese aufschließen.

Reiz

Zum Ruhezustand

+30mV

Der Na-Einstrom käme erst bei einer Spannungs-differenz von + 60 mV zum Stillstand (10 in das Testvolumen eindiffundierte Natriumionen). AberDurch Abnahme der elektrischen Gegenkraft, diezuvor das Ausströmen weiterer Kaliumionen ver-hinderte, diffundieren nun weitere Kaliumionenzellauswärts. Der Natrium-Ioneneinstrom kannnur eine Spannung von + 30 mV aufbauen.

Zum RuhezustandNervenimpuls

-70 mV

Rezeptorzellen adaptieren, wenn der Reiz länger anhält. Der Natriumioneneinstrom wird gesperrt,und der intrazelluläre Überschuss an Kaliumionen stellt das Ruhepotential von -70 mV wieder her. Die in die Zelle eindiffundierten Natriumionen unddie aus der Zelle gelangten Kaliumionen werdendurch eine stoffwechselgetriebene gekoppelte Na-trium-Kalium-Pumpe wieder zurücktransportiert.

Zum Ruhezustand

Wie funktioniert

eine Riechsinneszelle

AC

Rezeptor

G-Protein

ATP

ATP

ATPcAMP

cAMP

cAMP cAMP cAMP

cAMP

cAMPAC = Adenylcyclase

cAMP = cyclo-Adenosinmonophosphat

Reales Modell des Riechens mit molekularer Kaskaden-Verstärkung Duftstoff

Vom Duft zum elektrischen Signal

Winzige Spuren eines Duftstoffs genügen, schon nehmen wir die Witterung auf. Wie schafft es das Gehirn, wenige Moleküle wahrzunehmen? Um diesen Vorgang zu verstehen, muss man ins Innere der Zelle vordringen. Das Geruchssignal wird hier kaskadenförmig verstärkt. Das geschieht in mehreren Schritten: Zunächst dockt der Geruchsstoff an der Riechzelle an. Sein Anker ist ein Rezeptor, ein längliches Eiweißmolekül, das sich durch die Zellhaut (Membran) hindurchschlängelt. Das Geruchsmolekül aktiviert den Rezeptor, die Kaskade beginnt. Der Rezeptor spaltet ein G-Protein im Inneren der Zelle (Schritt zwei). G-Proteine sind Eiweißmoleküle, die als „reitende Boten“ in der Zelle eine zentrale Rolle spielen. Das G-Protein kurbelt (Schritt drei) ein Enzym namens AC an, das seinerseits massenhaft Boten-Moleküle namens cAMP produziert (Schritt vier). Dann dockt cAMP an Ionenkanälen in der Zellhaut an (Schritt fünf). Das cAMP fungiert wie ein Schleusenwärter, der die Kanäle öffnet. Das führt dazu, dass elektrisch geladene Teilchen (Ionen) in die Zelle einströmen. Das elektrische Potenzial der Zellmembran ändert sich schlagartig. Aus dem chemischen ist auf diese Weise ein elektrisches Signal entstanden – die im Gehirn „gängige Währung“ der Informationsübertragung.

„Einen Naturvorgang verstehen heißt, ihn in Mechanik zu übersetzen“

Herrmann von Helmholtz

„Ich behaupte aber, daß in jeder besonderen Naturlehre nur so viel eigentliche Wissenschaft angetroffen werden könne, als darin Mathematik anzutreffen sei“

Immanuel Kant 1786

Ein etwas zu simples mechanisches Modell eines Riechrezeptors

Signalmolekül

Rezeptor

Membran

Ionen

V

Phenomenologisches Modell der Geruchserkennung

Wir empfinden vielleicht

kugelförmige Moleküle als kampferartig,

scheibenförmige Moleküle als moschusartig,

keilförmige Moleküle als pfefferminzartig,

stabförmige Moleküle als ätherartig,

u.s.w.

Die Kunst des Molekül-Fangens

und der Messung dieses Ereignisses !

Einmolekülmessung durch Synthese einer Katalysatorkaskade

Rezeptor

Signalmolekül100

10 000

1

Katalysator

Katalysator

Katalysator

ynth e se

S

ynth e se

S

Abstraktes Modell:

Rezeptor

Signalmolekül100

10 000

1

Enzym 1

Enzym 2*Enzym 2

Enzym 3 Enzym 3*

ku

t i ev rA

ing

ku

t i ev rA

ing

Einmolekülmessung durch Aktivierung einer EnzymkaskadeAbstraktes Modell:

Könnte z. B. die Tore einer Membran öffnen

Konformationsänderung

Wie funktioniert

eine Lichtsinneszelle

Licht überführt den Sehfarbstoff Rhodopsin (R) in seine enzy-matisch aktive Form (R*). Ein aktiviertes R* aktiviert 3000 Trans-ducin-Proteine (T*). Diese Form des Transducins aktiviert das Enzym Phosphodiesterase (PDE*). Ein Molekül der PDE* wiederum ist in der Lage, 2000 cyclo-Guanosinmonophosphat-Moleküle (cGMP) zu inaktivieren. In zwei Stufen erreicht die Kaskade theoretisch einen Verstärkungsgrad von 6 Millionen.

R R T T PDE PDE

cGMP

inaktivescGMP

3000 20001

Problem Rückreaktion

Photon

-70 mV

* aktiviertes RhodopsinRhält Ionentore geschlossen

Photon

-70 mV-30 mV

R

Photon

Transduktionskaskade

1 Photon schließt 10

6 bis 10

7 Natriumkanäle

-30 mV

R*

Photon

-70 mV

R*

Wiederherstellung des Ruhepotenzials

Verkürzt dargestellt !Siehe genauer: „Wie entsteht ein Rezeptorpotenzial“

Photomultiplier

Verstärkung durch Lawineneffekt auch

in der Technik

Dynoden Anode

Photon

Elektron

Technische Entsprechung zur Enzymkaskade

Photokathode

Typische Photomultiplier haben 10 Dynoden. An jeder Dynode schlägt im Mittel ein Elektron 4 Sekundärelektro-nen heraus. Die Verstärkung ist 10

4.

Biochemische Verstärkungskaskade

Enzyme

Signal

Wie funktioniert

ein Haarzellensensor

- 50

mV

- 40

mV

- 30

mV

- 40

mV

- 50

mV

- 60

mV

- 70

mV

- 60

mV

- 40

mV

Die mechanische Funktion erklärt die gestaffelte Länge der Sinneshärchen. Nach links geschert verringern sich die Abstände der Haarspitzen, nach rechts geschert vergrößern sie sich.

Ende

www.bionik.tu-berlin.de

0 mV

100 000 +

10 000

2 200

107 800 +

K

NaCl

A

+

+ 2 000 K+

108 000 Na+

110 000 Cl

0 mV

100 000 +

10 000

2 200

107 800 +

K

NaCl

A

+

+ 2 000 K+

108 000 Na+

110 000 Cl

0 mV

100 000 +

10 000

2 200

107 800 +

K

NaCl

A

+

+ 2 000 K+

108 000 Na+

110 000 Cl

0 mV

100 000 +

10 000

2 200

107 800 +

K

NaCl

A

+

+ 2 000 K+

108 000 Na+

110 000 Cl

-70 mV-70 mV

108 000 Na+10 000 Na+

-70 mV-70 mV

108 000 Na+10 000 Na+

-70 mV-70 mV

108 000 Na+10 000 Na+