Biochemisch modifiziertes Bakteriorhodopsin als Baustein in Bio-to-Nano-Systemen

In der Natur gibt es vielfältige hoch interessante Phänomene, die man sich nur durch die Kombination von biologischem und technischem Wissen erklären kann. Zum Beispiel der so genannte „Lotuseffekt“, wobei es durch die Nano-Strukturierung der Oberflächen der Pflanze zu einem Selbstreinigungsprozess...

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Main Author: Keller, Katja
Contributors: Hampp, N. (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2006
Chemie
Subjects:
Online Access:PDF Full Text
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Description
Summary:In der Natur gibt es vielfältige hoch interessante Phänomene, die man sich nur durch die Kombination von biologischem und technischem Wissen erklären kann. Zum Beispiel der so genannte „Lotuseffekt“, wobei es durch die Nano-Strukturierung der Oberflächen der Pflanze zu einem Selbstreinigungsprozess derselben kommt. Der Mensch hat nun begonnen, dieses vorhandene Wissen zu studieren, zu ergründen und sich letztendlich nutzbar zu machen. Daraus resultiert eine neue wissenschaftliche Fachrichtung, „Bionik“ genannt. Eine Schlüsseltechnologie bei der Anwendung der Bionik für unser tägliches Leben ist die so genannte Nanotechnologie. Dabei werden auf verschiedenste Weisen (chemisch, physikalisch, biologisch) nanoskalige Strukturen hergestellt beziehungsweise geschaffen um im Sinne der Bionik in unserem Alltag Verwendung zu finden. Das Ziel der Nanotechnologie kann als die Möglichkeit beschrieben werden, aus Molekülen Objekte zu generieren und Objekte wiederum in Moleküle zu zerlegen. Die Natur wird hierbei als Vorbild verwendet, da der Aufbau biologischer Systeme durch nanoskalige Prozesse geleitet wird, die über Jahrmillionen evolutionär optimiert wurden. In diesem System hat die Nanobiotechnologie in den letzten Jahren maßgeblich dazu beigetragen, biologisch interessante Systeme grundlegend zu verstehen und nanoskalige funktionale Einheiten kontrolliert zu generieren. Um die Nanobiotechnologie im Speziellen besser überblicken zu können, wurde innerhalb der VDI eine Einteilung in Nano-to-Bio-Systeme und Bio-to-Nano-Systeme vorgenommen, die im Detail nachfolgend Verwendung findet und erklärt wird. „Nano-to-Bio“-Systeme beschreiben nanotechnologische Verfahren und Materialien, die zur Manipulation biologischer Systeme eingesetzt werden. Im Gegensatz dazu beschreiben „Bio-to-Nano“-Systeme Prinzipien der Biologie, die, in technische Systemen übertragen, jetzt nutzbar gemacht werden. Wie gesagt ist die Nanobiotechnologie die Kernwissenschaft, um die evolutionär optimierten natürlichen Systeme für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Auch mit Hilfe der heutigen Gentechnik ist es möglich, biologische Materialien gezielt auf die beabsichtigte technische Anwendung hin zu modifizieren. Ein solches biologisch wie technisch interessantes System mit einem hohen Grad an Anwendungspotential, in zum Beispiel der Dokumentessicherung und der Druckfarbentechnik, ist das seit nunmehr 30 Jahren bekannte Transmembranprotein Bakteriorhodopsin, das für diese Art der Anwendungen quasi als Prototyp angesehen werden kann. Das Protein zeigt mit seiner natürlichen Funktion der Photosynthese, für nano(bio)technologische Anwendungen interessante Eigenschaften. Aufgrund seiner optischen und photochemischen Eigenschaften und der Stabilität gegen chemische und physikalische Einflüsse ist Bakteriorhodopsin für den Einsatz in der optischen Informationspeicherung und -verarbeitung, der Energieumwandlung und der Optoelektronik besonders geeignet. Auch in der Sicherheitstechnik konnte gezeigt werden, dass modifiziertes Bakteriorhodopsin als farbgebendes photochromes Pigment ein großes Anwendungspotential besitzt. Im Gegensatz zu dieser Verwendung des membranintegrierten Bakteriorhodopsins in nicht „Bio-to-Nano“-Systemen, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Untersuchung der Anwendungsmöglichkeiten des membranintegrierten Bakteriorhodopsin in Bio-to-Nano-Systemen. Die thematische „Hauptausrichtung“ liegt dabei in der Vertiefung des Konzepts der gerichteten Stapelung von Purpurmembranfragmenten zum Aufbau von zum Beispiel elektrooptischen Schalteinheiten. Die Eigenschaft des Bakteriorhodopsins, eine Photospannung über die Membran hinweg erzeugen zu können, soll mittels gerichteter Stapelung mehrerer Purpurmembranen, so genutzt werden, dass sich die erzeugte Spannung additiv erhöht. Als Konzept wird versucht mittels zweier komplementärer ssOligonucleotid-Stränge, die Purpurmembranfragmente gerichtet zu stapeln. Ein weiteres interessantes „Bio-to-Nano“-System mit entsprechendem möglichen Wachstumspotential ist das sogenannte „nanowiring“. Dabei wird ein miniaturisierter, elektronisch funktionsfähiger Schaltkreis auf DNA-Basis durch einen Selbst-assemblierungsprozess generiert. Um die notwendige elektrische Funktionalität im Schaltkreis zu erreichen, kombiniert man die gute Leitfähigkeit des Goldes mit der natürlichen Affinität von komplementären ssDNAs zueinander. Damit ist es möglich über Selbstassemblierung hoch-komplexe Strukturen von Schaltkreisen zu generieren. Aufbauend auf die bereits etablierte Möglichkeit der Gold-Bindung an PM und der Dekoration von Gold-Nanoteilchen mit bis zu 7 verschiedenen ssDNA-Strängen, soll an dieser Stelle gezeigt werden, dass es möglich ist, ssOligo an PM zu binden, das mit Gold-Nanopartikeln aktiviert ist. Das angebundene ssOligo wird anschließend mit dem entsprechenden Komplementär hybridisiert.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2006.0508