Zastosowanie bakteriorodopsyny w urządzeniach elektronicznych Na podstawie artykułu „Optimization of bacteriorhodopsin for bioelectronic devices” Kevin J. Wise, Nathan B.Gillespie, Jeffrey A.Stuart, Mark P.Krebs, Robert R.Birge Małgorzata Gil Katarzyna Rataj
Budowa bakteriorodopsyny Bakteriorodopsyna zbudowana jest z dwóch komponent: 248 aminokwasowego polipeptydu (bakterioopsyna BO) chromoforu (retinal) osadzonego wewnątrz białka
Funkcje bakteriorodopsyny Białko błonowe przeprowadzające transdukcję energii świetlnej, występujące u Halobacterium salinarum Biologiczną funkcją BR jest absorpcja energii świetlnej i przekształcenie jej w energię chemiczną w warunkach beztlenowych Podstawową funkcja BR jest pompowanie protonów ale dla urządzeń elektronicznych najważniejsza jest absorpcja i przekształcanie energii świetlnej BR może być wykorzystywana w tworzeniu pamięci optycznych oraz pamięci trójwymiarowych
Cykl świetlny bakteriorodopsyny Mechanizm pompowania protonów inicjowany jest absorpcją światła przez chromofor Zielone światło przekształca wyjściowy, spoczynkowy stan bR (570) w formę pośrednią K (590) Forma K podlega relaksacji dając kolejno formy L, M, N i O Jeżeli forma pośrednia O poddana jest działaniu światła czerwonego, zachodzi tzw. odgałęzienie cyklu reakcji Forma O zmienia się w stan P podlegający natychmiastowej relaksacji, przechodząc do stanu Q Stan Q charakteryzuje się prawie absolutną stabilnością Niebieskie światło przekształca Q z powrotem w formę bR
System binarny Komputery pracują, używając jedynie dwóch liczb: 0 i 1. Komputer przetwarza liczby i obrazy w kody składające się z zer i jedynek. Taki kod, który składa się zer i jedynek nazywamy kodem dwójkowym lub binarnym. Wszystkim danym i instrukcjom dostarczanym do komputera w postaci liczb dziesiętnych, liter, symboli i znaków jest przypisywany kod binarny, który generowany jest przez urządzenie wejściowe (klawiatura, ewentualnie skaner czy aparat cyfrowy). Sygnał kodowy nie jest jednak ciągiem liczb, lecz impulsów elektrycznych. Impulsowi odpowiada 1, jego brak natomiast rejestrowany jest jako 0. Kody przechowywane są w pamięci komputera w postaci sekwencji włączenia i wyłączenia potencjałów elektrycznych. Główny procesor przetwarza sekwencje impulsów elektrycznych, tworząc liczbę binarną, dekoduje ją i przekazuje wynik. Kolejne cyfry w systemie binarnym to mnożniki kolejnych potęg liczby dwa. I tak liczbę 1101 rozwija się (licząc od tyłu): 1*20 +0*21+1*22+1*23=1+0+4+8=13
Każda liczba dziesiętna może zostać zamieniona na liczbę binarną Zamiana ta polega na dzieleniu danej liczby przez 2, czyli przez system, w którym chcemy liczbę otrzymać. Jeżeli nie ma reszty z dzielenia wówczas z prawej strony kreski wstawiamy 0, natomiast gdy reszta z dzielenia jest 1. Następnie wykonujemy takie same obliczenia na liczbie całkowitej, którą otrzymaliśmy z dzielenia, aż do momentu, gdy z lewej strony będzie 0. Czyli 123(10)=1111011(2) Różne formy bakteriorodopsyny można wykorzystać do zapisu bitów danych. Większość badanych urządzeń wykorzystuje stan spoczynkowy bR przypisując mu 0, a formom pośrednim 1. Przełączanie kontrolowane jest za pomocą promieni lasera.
Proces zapisywania danych Zapisywanie informacji w kostkach bakteriorodopsyny (fioletowy) dokonywane jest za pomocą promieni laserowych. Zapis rozpoczyna się od przepuszczenia zielonych promieni lasera przez płaszczyznę kostki (1);inicjuje to cykl świetlny białka. Czerwone lasery (2) oświetlają zestaw cząsteczek w obrębie płaszczyzny, które maja być przekształcone w dwójkowe 1; pozostałe cząsteczki reprezentują dwójkowe 0
Proces odczytu danych Odczyt danych rozpoczyna się od ponownego aktywowania płaszczyzny światłem zielonym (5). Następnie włączane są lasery czerwone o niskim natężeniu . Cząsteczki które początkowo znajdowały się w stanie bR, pochłaniają światło czerwone, które przez cząsteczki w stanach P i Q jest przepuszczane. Wynikający stąd wzór utworzony z jasnych i ciemnych obszarów, czyli zer i jedynek, może być odczytywany przez detektor umieszczony naprzeciwko matrycy czerwonych laserów (6)
Optymizacja bakteriorodopsyny Chemiczna modyfikacja chromoforu Chemiczna modyfikacja polipeptydu Genetyczna modyfikacja polipeptydu
Genetyczna modyfikacja bakteriorodopsyny Losowa mutageneza Ukierunkowana mutageneza Semi – random mutageneza Ukierunkowana ewolucja typ I i II
Ukierunkowana mutageneza Podstawowa technika optymalizacji bakteriorodopsyny Użyteczność metody jest proporcjonalna do wiedzy o białku WADA: pięć parametrów musi być jednocześnie optymalizowanych: czas formowania stanu O (minimalizacja) zanik stanu O (optymizacja) efektywność kwantowa fotochemicznego przekształcania stanu O w P (maksymalizacja) efektywność przekształcania formy P w Q (maksymalizacja) czas życia formy Q (maksymalizacja) !! Niemożliwe jest przewidzenie który z pojedynczych lub podwójnych mutantów spełni jednocześnie powyższe wymagania
Semi – random mutageneza Kombinacja mutagenezy ukierunkowanej i losowej Podział białka na 17 segmentów ok.15 aminokwasowych Częstsze mutacje w czterech regionach indukowane metodą PCR
Ewolucja ukierunkowana Ze względu na sposób przeglądania i selekcji organizmów wyróżniamy dwa typy: Typ I Przeglądanie na poziomie kolonii bakterii. Bakterie umieszczone w niewielkiej ilości wody pękają co zapobiega konieczności izolacji białka. Procedura przeprowadzana w 96-dołkowych płytkach Typ II Przeglądanie na poziomie pojedynczych komórek z jednoczesną selekcją . Wykorzystywane automatyczne urządzenie mierzy poziom stanów P i Q oraz oddziela korzystne komórki
Tabela porównująca pięć metod optymalizacji bakteriorodopsyny
Źródła materiałów Optimization of bacteriorhodopsin for bioelectronic devices” Kevin J. Wise, Nathan B.Gillespie, Jeffrey A.Stuart, Mark P.Krebs, Robert R.Birge, TRENDS in Biotechnology „Komputery białkowe” Robert R.Birge, Świat Nauki 1995 http://www.computerworld.pl/artykuly/21652.html http://www.biochem.mpg.de/oesterhelt/