Die Nanomaschinen der Natur

Transkript

1 Die Nanomaschinen der Natur I. Einführung Wie alt sind biologische Nanomaschinen? Beispiele: Rotoren, Linearmotoren, Schalter II. Das Auge mit anderen Augen betrachtet Uni Basel

2 Zeiträume der Evolution Big bang 14 Milliarden Entstehung von Felsen und Meere 3.8 Milliarden Cambrium (Paleozoic) 543 Millionen Solar system 4.6 Milliarden Erste anaeorobische Prokaryonten Archae, Bacteria 3.5 Milliarden Precambrium Erste Eukaryonten 2.5 Milliarden Jurassic (Mesozoic) 200 Millionen Mensch 7 Millionen Jahre Tertiary (Cenozoic) 56 Millionen Uni Basel

3 Bakterien: uralte Lebewesen, die sich bewegen und verdauen Proton pump Genom Sonnenenergie wird zu Protonengradient umgesetzt. Dieser treibt den Flagellenrotor und die ATP Synthase.

4 Bakterielle Chemotaxis Uni Basel Von Chi Aizawa

5 Nanomotor und Propeller Robert McNab, Boston Chi Aizawa, Utsumenia Keiichi Namba, Osaka Für Movies und weitere Informationen: 30 nm

6 Programmierter Selbstzusammenbau Genom: Erbinformation wird dupliziert DNA Nur bestimmte Gene werden transkribiert mrna Proteine sind wie Legosteine: Sie fügen sich zu Strukturen zusammen (von K.Namba) Die mrna programmiert das Ribosom: Gen wird in Polypeptid übersetzt welches sich faltet Keiichi Namba, Osaka

7 Energiefluss (vereinfacht) Bakterielle Photosysteme: Protonengradient Bakteriorhodopsin Und das seit 3 Milliarden Jahren! Cyanobakterielle und Pflanzliche Photosysteme: Wasserspaltung & Protonengradient Kohlenhydrate Aufnahme von Nährstoffen Atmungskette: Protonengradient

8 ATP Synthase: Turbine & Generator Für weiter Information: Wolfgang Junge, Unversität Osnabrück IWF:

9 Der ATP Generator Noji et al., 1997 Walker et al.

10 Direkte Beobachtung der Rotation Der Generator treibt Welle, ATP wird verbraucht Noji et al., 1997

11 Der Rotor mit dem AFM betastet!! 5 nm Daniel Müller

12 Abpacken von viraler DNA Carlos Bustamante Daniel Müller

13 Myosin: Linearmotor der Muskeln Ron Milligan Schrittgrösse: 10 nm Kraft: 5 pn Energie: 30 kj/mol

14 kcal/mol kj/mol ev Reichweite Kovalente Bindungen C-H Å C C-C Å C-N Nicht kovalent Ionische ± lang Salzbrücken lang Wasserstoffbr Å Ion-Dipol ±2 ±8 lang Dipol-Dipole ±0.5 ±2 lang van der Waals Å Licht hu rot hu grün hu blau ATP Hydrolyse Protonenfluss kt (300 K) Energien G = H - T S

15 Kräfte

16 Atomic force microscopy in buffer solution 300 mm KCl

17 Bacteriorhodopsin: Nanoschalter Photon 1 Photon (-2.1 ev) > 1 Proton (0.1 ev) Bacteriorhodopsin Trimer

18 Abbilden und Entfalten mit AFM Oesterhelt et al. Science 2000

19 Augen mit anderen Augen untersucht

20 Evolution des Auges 1 mm Dinoflagellat Precambrium Drosophila Schlange Mensch

21 Die Linse Brennweite ca. 2.5 cm; Nahpunkt ca. 25 cm Die Linse ist aus geschichteten Zellen aufgebaut, die mit Linsenkristallin dicht gepackt sind, damit die Linse einen hohen Brechungsindex hat. Die Zellmembran ist für präzise Schichtung wichtig

22 Expo 2000 Hannover: Schweizer Pavillon Zumthor s Bretterstapel

23 80% der Linsen-Membran-Proteine sind MIP (Major Intrinsic Protein) 0.25 µm

24 Die Membranen haben eine glatte und eine raue Oberfläche 2 Extrazellulär 1 Dem Zellinneren zugewandt

25 Präzises Stapeln dank Nocke und Nut: eine Funktion des Proteins MIP

26 Wie die Versorgung sichergestellt wird Nährstoffe und Aminosäuren werden hineingepumpt, was Wasser mit sich zieht! Linsenfiberzellen

27 MIP ist auch ein Wasserkanal Transmissions Elektronen Mikroskop 200 cm Mit dem Rasterkraftmikroskop abgebildet 20 cm Mit dem Elektronenmikroskop abgebildet

28 Nach 3D Rekonstruktion Proteine können aus Bündeln von helikalen Polypeptidsegmenten bestehen. Diese sind hier eingepasst.

29 Wie Wasser durch MIP fliesst: Rechnergestützte Molekular Dynamische Simulation: Lipiddoppelschicht mit integriertem Protein Bert de Groot & Helmut Grubmüller

30 Was nützt dieses Wissen? Wild Typ Cat Fr Cat Fr Mäuse produzieren kein MIP: Die Linsen- Zellen stapeln nicht präzis. Das Wasser kann nicht wegfliessen.

31 Grauer Star Katarakt, auch grauer Star genannt, ist eine häufige Augenerkrankung älterer Menschen. Weniger häufig ist der angeborene graue Star. Ein Grund zu dieser Krankheit ist die ungenügende Funktion des wichtigen Membranproteins MIP. Dessen Struktur kann Hinweise zur Heilung geben.

32 Die Retina ist mit Sehzäpfchen dicht gepackt. Jedes kann einzelne Photonen detektieren und einen Nervenimpuls erzeugen! Die Retina

33 Rhodopsin: der Photodetektor in der Retina Sehzäpfchen Palczewski et al. 2000, Science 289,

34 Sehzäpfchen sind mit Rhodopsin gepackt: Einzelne Photonen werden detektiert Disk membranes Cell body 1 µm Dimitrios Fotiadis; in collaboration with Kris Palczewski, Nature 2003

35 Augen mit anderen Augen untersucht: Zusammenfassung Die Evolution hat Augen zu phantastischen Organen entwickelt Linsen sind aus glasklarem, flexiblen Gewebe gebaut, das aus gestapelten Linsenfiberzellen besteht Defektes Protein MIP führt zum grauen Star Die Retina kann einzelne Photonen detektieren dank dichter Packung von Rhodopsin