Themenfolge der Vorlesung

2. 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/digitale Rechenmaschine 7. Die Inhibition – Leistung einer elementaren Neuronenschaltung 8. Struktur und Arbeitsweise Neuronaler Netzwerke 9. Rechnen mit Molekülen (DNA-Chips und DNA-Computing)

3. Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung Bionik II(Biosensorik/Bioinformatik) Grenzleistungen biologischer Rezeptoren Chemorezeptor, Photorezeptor, Mechanorezeptor Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

4. Leistung eines Chemorezeptors

5. Molekülfänger eines Seidenspinnermännchens

6. Käfig mit 1 km Wird im Experiment ein Schmetterlingsmännchen 1s lang von einem Duftstrom mit 2000 Bombykolmolekülen/cm3 und einer Windgeschwindigkeit von 60cm/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 1km Entfernung ein Weibchen z.B. in 12min finden. Bis zu 10 km weite Suchflüge sind möglich. Zahl der Moleküle pro Kubik-zentimeter Luft = 2,687·1019 27 Trillionen Geruchsfahne 12 min

7. H H C C H CH CH CH C C 3 2 2 OH CH CH CH CH CH CH CH CH CH H 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Sexuallockstoff Bombykol Seidenspinnerweibchen Der Nobelpreisträger Adolf Butenandt benötigte 17Jahre und 750000 Seiden-spinnerweibchen, um 1959 die chemische Struktur von Bombykol aufzuklären. Synthetische Herstellung mit Markierung durch Tritium möglich (Tritium = radioaktiver Wasserstoff mit 2 Neutronen im Kern)

8. Tritium markiertes Bombykol Schwirr-Reaktion Zahl der absorbier-ten Moleküle über den radioaktiven Zerfall = 300 # Gesamtzahl der Rezeptoren = 30000

9. Kontrollexperiment zur Bestimmung der Riechschwelle Anstechen mit einer Mikroelektrode Riechsensillen

10. Aufbau 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.

11. Bestimmung der während eines gegebenen Zeitintervalls absor-bierten, Tritium markierten Duft-moleküle (z.B. 300). Anstechen einer Duftsinneszelle mit einer Mikroelektrode. Die Häufigkeit einer beobachteten Potenzialänderung stimmt mit der berechneten Wahrscheinlichkeit (z.B.1/100 bei30000Rezeptoren) für einen Einmolekültreffer überein. Riechsensillen Einmoleküldetektion !

12. ~ 45000 Riechsinneszellen Der Aal und seine Nase

13. Aal wird dressiert, nur diejenige Röhre als Versteck zu wählen, durch die der Duftstoff strömt. Duftstoff Phenylethylalkohol (Rosenduft) 12,4cm langer Versuchsaal Wahlapparatur für die Röhrendressur eines Aals Aalversteck Gummiröhre (Harald Teichmann, 1956) Mit Frischwasser durchströmtes Versuchsbecken (40×25×9cm)

14. Andressur des Aals mit fortschreitender Verdünnung des Duftstoffes b-Phenylethylalkohol Harald Teichmann: Über die Leistung des Geruchssinnes beim Aal. Z.vergl. Physiol. 42 (1959), S.206-254.

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

16. 0,30 mm3 Inhalt der Nase des 12,4 cm langen Versuchsaals: Rechnerisch befindet sich im Aalnasenvolumen nur ein halbes Molekül Einmoleküldetektion

17. Formel zur Berechnung der Molekülzahl MZ pro cm3 Substanzmenge [g] × Avogadrozahl MZ= Molmasse [g] × Volumen [cm3] Avogadrozahl = 6,022 ·1023 Riechschwelle Aal: 1766 Moleküle/cm3 Wasser

18. C8H10O b-Phenylethylalkohol Grenzempfindlichkeit der Aalnase veranschaulicht 0,1 g 1/5 Tropfen

19. Brandmittel-Spürhund Rauschgift-Spürhund Lawinenhund Sprengstoff-Spürhund Biosensor Hundenase

20. ,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.

21. Ehemalige Cargolifter-Halle: Länge: 360 m Breite: 210 m Höhe: 107 m Volumen: 5,5 Millionen m3 Jetzt „Tropical Island“ 1,6 Millionstel Gramm Buttersäure in der Halle kann ein Hund noch riechen ! 2000 Moleküle/cm3

22. Hundenase Anzahl der Riechsinneszellen

23. Leistung eines Photorezeptors

24. Plancksches Wirkungsquantum Lichtgeschwindigkeit Energie eines Photons: Lichtwellenlänge Minimale Reizenergie ≈ 2·10-17 J 100W =100J/s n≈60 Photonen/s Pupille: A=0,5cm2 3·1020Photonen/s Annahme: Nur 2% der von der Glühlampe ausgesendeten Photonen liegen im maximalen Empfindlichkeitsbereich des Auges (um 550nm). Pupilleneintrittsfläche n0=6·1018 Photonen/s Kugeloberfläche Gilt nur im Weltraum: Bei sehr klaren Wetterbedingungen wird die Intensität einesLichtstrahlspro100kmaufetwa1/3 seiner Ausgangsstärke abgeschwächt.

25. n≈60 Photonen/s Ein Photorezeptor misst ein Lichtquant Von der „Schrotladung“ der 60 Photonen treffen nur10 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

26. Leistung eines Mechanorezeptors

27. 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. 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. 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. Mechanorezeptoren

28. 7,5 mm Wasserstoffatom 0,1 nm 150 m 0,1 V 0,3 nm An der Hörschwelle 5μm Empfindlichkeit einer Haarzelle

29. Mensch: Vergleich Auge/Ohr Entspricht der Energie von 60 Photonen (550nm) Minimale Reizenergie ≈ 2 · 10-17 J Minimale Reizenergie ≈ 5 · 10-18 J

30. Thermorezeptor Hygrorezeptor Elektrorezeptor Magnetorezeptor Thermorezeptor Hygrorezeptor Elektrorezeptor Magnetorezeptor Chemorezeptor Photorezeptor Mechanorezeptor

31. Wie funktioniert ein biologischer Rezeptor ? Wie erklärt sich die unglaublich hohe Empfindlichkeit ?

32. 0 - 70 mV Ruhepotential einer Nervenzelle

33. Wie entsteht ein Ruhepotenzial ?

34. Tiefe überhöht dargestellt ! Nerven- und Sinneszellenpotenziale entstehen durch Ionenströme, die durch veränderliche Po- ren der Zellmembran fließen. Um die Zahlenver- hältnisse der beteiligten Ionen zu veranschauli- chen, wird eine Volumenelement betrachtet. Die Zellmembran teilt dieses Volumen in zwei gleich große Hälften von 1µm Breite, 1µm Höhe und 0,001µm Tiefe.

35. 0 mV 0 mV + + 100000 + 100000 + K K + + K K 2000 2000 + + Na Na 10000 10000 + + Na Na 108000 108000 Cl Cl 2200 2200 Cl Cl 110000 110000 107800 + 107800 + A A Gedachte Anfangszustand Im intrazellulären Testvolumen von 10-12 mm3 befinden sich 100000 + 6 Kaliumionen, 10000 Natriumionen, 2200 Chloridionen und 107800 + 6 negativ geladene Aminosäuremoleküle. Das gleich große extrazelluläre Testvolumen enthält 2000 Kaliumionen, 108000 Natriumionen und 110000 Chloridionen. Wir messen die Span- nungsdifferenz 0 V.

36. Zum Anfangszustand Die Zellmemran besitzt Poren, durch die die Ka- liumionen hindurchgelassen werden. Wegen der Konzentrationsdifferenz beginnen Kaliumionen nach außen zu diffundieren. Es baut sich eine elektrische 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 -90mV.

37. Zum Anfangszustand Die Zellmembran besitzt einige Poren, durch die auch die größeren Natriumionen hindurchtreten können. Wegen der höheren extrazellulären Na- triumkonzentration diffundieren langsam Natrium- ionen in das Zellinnere. Andererseits fördert eine vom Stoffwechsel betrieben Natriumpumpe Natri- umionen nach außen. Es stellt sich eine neue Gleichgewichtsspannung von -70 mV ein.

38. Wie entsteht ein Rezeptorpotenzial ?

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

40. Nervenimpuls Zum Anfangszustand Der Na-Einstrom käme erst bei einer Spannungs- differenz von + 60mV zum Stillstand (10 in das Testvolumen eindiffundierte Natriumionen). Aber Durch Abnahme der elektrischen Gegenkraft, die zuvor das Ausströmen weiterer Kaliumionen ver- hinderte, diffundieren nun weitere Kaliumionen zellauswärts. Der Natrium-Ioneneinstrom kann nur eine Spannung von + 30mV aufbauen.

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

42. Wie funktioniert eine Riechsinneszelle

43. Membran Signalmolekül Rezeptor V Ionen Ein etwas zu simples mechanisches Modell eines Riechrezeptors

44. 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.

45. Die Kunst des Molekül-Fangens und der Messung dieses Ereignisses!

46. 10000 Katalysator 100 Signalmolekül Katalysator e e s s e e h h t t n n y y S S 1 Katalysator Rezeptor Abstraktes Modell: Einmolekülmessung durch Synthese einer Katalysatorkaskade

47. 10000 Enzym 3* Enzym 3 Signalmolekül 100 Enzym 2* Enzym 2 g g n n u u r r e e i i v v i i t t A A k k 1 Enzym 1 Rezeptor Abstraktes Modell: Einmolekülmessung durch Aktivierung einer Enzymkaskade

48. Reales Modell des Riechens mit molekularer Kaskaden-Verstärkung Duftstoff AC = Adenylcyclase cAMP = cyclo-Adenosinmonophosphat

49. 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.

50. Wie funktioniert eine Lichtsinneszelle