Nanotechnologie mit Biomolekülen Josef Riedl 06 / 2004 Nanotechnologie mit Biomolekülen.

Nanotechnologie mit Biomolekülen

Josef Riedl 06 / 2004 — http://josef.riedl.org

NanotechnologieNanotechnologiemit Biomolekülenmit Biomolekülen



EinführungEinführung

Einführung

Anwendungen

Der Nanokosmos

DNA-Pinzette

ATPase-Propeller

DNA-Computer I

DNA-Computer II

Bio-Nanotechnologie

SchlussbetrachtungReferenzen

Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation




• Nanotechnologie =Strukturen und Prozesse imNanometer-Maßstab

• 1 nm = 1/1000 µm == 1/1 000 000 mm= 10 Å

Einführung

Anwendungen

Der Nanokosmos

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Bio-Nanotechnologie


Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation




• Nanoröhren und Nanodrähte

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Der Nanokosmos

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Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation




• Nanomotoren

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Der Nanokosmos

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Bio-Nanotechnologie


Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation




• Nano-Kugellager

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Der Nanokosmos

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Bio-Nanotechnologie


Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation




• Nano-Datenspeicher

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Der Nanokosmos

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Bio-Nanotechnologie


Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation



AnwendungenAnwendungen

1) Strukturen, Leiter, Schaltkreise

2) Assembly

3) Antriebe, Roboter

4) Computer und Datenspeicher

Einführung

Anwendungen

Der Nanokosmos

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Bio-Nanotechnologie


Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation



AnwendungenAnwendungen

• Vorstellung:Kombinierte, komplexeMaschinen im Nanomaßstab;in Komplettfertigung

• Derzeit Realität:Baukasten; Komponenten ausverschiedensten Bereichen

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Der Nanokosmos

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Bio-Nanotechnologie


Grundlegendes

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Nanomanipulation



Der NanokosmosDer Nanokosmos

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Der Nanokosmos

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Bio-Nanotechnologie


Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation



Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos• Abmessungen: nm - Bereich

• Kräfte: pN - Bereich

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Der Nanokosmos

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Bio-Nanotechnologie


Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation



Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos• Beispiel: Auto im Hagel

Geschwindigkeit: 1 km/h(1/10 Länge pro sec)

Kraft: 1/1000000 × Gewicht

Einführung

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Der Nanokosmos

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Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation



Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos• Vergleich: Protein in Wasser

Geschwindigkeit: 3.6 mm/h(10 × Länge pro sec)

Kraft: 1000 × Gewicht(10 pN)

Einführung

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Der Nanokosmos

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Natur als Vorbild

Nanomanipulation



Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos• BROWN-Ratsche

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Nanomanipulation



Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos

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Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation



Physik im Physik im NanokosmosNanokosmos

• Zwei Zufallsbewegungen erzeugen Richtungsbewegung

• Beispiel: Actin/Myosin

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Der Nanokosmos

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Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation



Natur/Zelle als VorbildNatur/Zelle als Vorbild

• Komplettsystem im nm-Maßstab

• Strukturen• Motoren• Datenspeicher und Verarbeitung

• Beispiel: Bewegung

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Der Nanokosmos

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Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation



Natürliche Natürliche NanomotorenNanomotoren1) Lineare Bewegung:

Actin und Myosin (Muskel)Kinesin/Dynein und MikrotubuliPolymerasen

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Der Nanokosmos

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Natur als Vorbild

Nanomanipulation



Natürliche Natürliche NanomotorenNanomotoren2) Drehbewegung:

F1FO-ATPaseBakterielle Geißel

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Der Nanokosmos

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Natur als Vorbild

Nanomanipulation



Natürliche Natürliche NanomotorenNanomotoren3) Spezialfälle

Viruscapsid:Linearer DNA-Transportdurch einen „Rotor“

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Nanomanipulation



Natürliche Natürliche NanomotorenNanomotoren

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Nanomanipulation



NanomanipulationNanomanipulation

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Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation




Fixierung einzelner Moleküle:

• Anheften an ‚beads‘ oder Oberflächen

• Laser-Falle

• Mikro-Nadeln

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Nanomanipulation



NanomanipulationNanomanipulationEinführung

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Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation




Beobachtung einzelner Moleküle:

• Fluoreszenz

• indirekt (Biegung der Mikronadel etc.)

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Natur als Vorbild

Nanomanipulation




Konstruktion

• Manipulation einzelner Moleküle

• Self-Assemblyz.B. Expression modifizierter Proteine

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Grundlegendes

Natur als Vorbild

Nanomanipulation



Bio-NanotechnologieBio-Nanotechnologie

1) Strukturen, Leiter, Schaltkreise

2) Assembly („Werkzeuge“)

3) Antriebe, Roboter

4) Computer und Datenspeicher

Einführung

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Der Nanokosmos

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Nanomanipulation



DNA-PinzetteDNA-PinzetteEinführung

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ATPase-PropellerATPase-Propeller

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Nanomanipulation




Vorhanden:• Nanostrukturen

(z.B. aus Metall geätzt)• Biologische Motoren

(z.B. ATPase)

Gesucht:• Kombination

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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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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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Natur als Vorbild

Nanomanipulation



ATPase-PropellerATPase-PropellerEinführung

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Natur als Vorbild

Nanomanipulation




Probleme:

• Ausbeute: 5 von 400

• Geschwindigkeitsvariationen

• Unspezifität der Anheftung

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Natur als Vorbild

Nanomanipulation




Erfolge:

• Echte Hybrid-Konstruktion

• Antrieb allein durch ATP

• Arbeitsdauer 2 h, 1-8 rps

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Nanomanipulation



DNA-Computer IDNA-Computer I

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Nanomanipulation




• DNA = Informationsspeicher

• Computer:

Input > Berechnung > Output

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Nanomanipulation




• Hamiltonian Path Problem(Handlungsreisenden-Problem)

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• Lösung: AusprobierenComputer: nacheinander

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Alternativ:

1) Zufällige Wege2) Ausfiltern: Start/Ziel korrekt?3) Ausfiltern: Länge korrekt?4) Ausfiltern: alle Orte besucht?5) Rest = Lösung

Einführung

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DNA als Codierung:

20 bp-ZufallssequenzenEindeutig pro Punkt und Weg

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Nanomanipulation




Zufällige Pfade: Ligation

Gleichzeitig alle möglichen Pfade!

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Nanomanipulation



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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Nanomanipulation




Kein biomolekularer Computer

Keine Weiterentwicklung

„Spielzeug“ oder visionäre Idee?

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Nanomanipulation



DNA-Computer IIDNA-Computer II

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Pharmakologische Diagnose:

• Messung (=Input)• Verrechnung der Daten

(=Programm)• Diagnose und Medikation

(=Output)

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Nanomanipulation




Beispiel:

• Expressionslevel mehrerer Gene

• Diagnose: Tumorzelle?• Freisetzung von Blockern

... direkt in der Zelle (in situ)?

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Nanomanipulation




Echter molekularer Computer:

• Input = mRNA• Programm = RNA

Hardware = Restriktionsenzym

• Output = RNAi

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Nanomanipulation




Beispiel: Prostata-Krebs

PPAB2BGSTP1PIM1HPN

=> GTTGGTATTGCACAT

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Nanomanipulation




PPAB2B

GSTP1

PIM1

HPN

GTTGGTATTGCACAT

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Nanomanipulation

ja

janein

janein

janein

janein



DNA-Computer IIDNA-Computer IIEinführung

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Nanomanipulation




Erfolge

• Variable, auch relativ komplexe Programme sind möglich

• Aktuelle ssDNA- und RNAi-Medikamente verwendbar

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Nanomanipulation



SchlussbetrachtungSchlussbetrachtung

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Nanomanipulation




Probleme

• Wahl der Oligonucleotide

• In der Zelle in dieser Formnicht einsetzbar!

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Nanomanipulation




• Nanotechnologie =Technologie der

Zukunft

• Revolutionäre Entwicklungenvgl. Computer im 20. Jh.

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Nanomanipulation




Mögliche Einsatzgebiete:

• Zusätzliche Miniaturisierung

• Nanoroboter

• Intelligente Oberflächen

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Nanomanipulation




Biologie = Schlüsseltechnologie

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Nanomanipulation

Problemlösung

NatürlichesModell

Technik,Manipulation+



EndeEnde

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!



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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