Bioelektronika. az alapkutatásban és az alkalmazott tudományban. M T A SzB K B F I D É R A N D R Á S

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Bioelektronika. az alapkutatásban és az alkalmazott tudományban. M T A SzB K B F I D É R A N D R Á S"

Edit Kerekes
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Bioelektronika az alapkutatásban és az alkalmazott tudományban M T A SzB K B F I D É R A N D R Á S

2 Fizikai jelenségek Jelátvitel, energiaátalakítás

3 Biológiai membránok Elválasztóösszekötő szerep (lipidek-fehérjék) Csatornák, pumpák Aszimmetria

4 Az idegimpulzus terjedése Hodgkin, Huxley, Katz Nobel-díj (1963) Kemiozmotikus hipotézis Peter Mitchell Nobel-díj 1978

5 Mikroelektróda-technikák Patch clamp; Nobel-díj, 1991: Neher és Sackmann A mikroelektróda technikák pumpafehjérjék vizsgálatára nem ideálisak Alternatív módszerek: elektromosan aszimmetrikus minta

6 I. Alternatív technikák Dancsházy, Karvaly FEBS Lett., 1976 Keszthelyi, Ormos FEBS Lett., 1980 Dér et al. 1991, PNAS Dér, Hargittai, Simon, 1985

7 Bakteriorodopszin Modellszerep az ionpumpáló membránfehérjék között A kemiozmotikus hipotézis alátámasztása (1974)

8 A bakteriorodopszin kinetikai jelei Dér et al., 1985 Korreláció az elektromos és optikai jelek között intramolekuláris eseményekről hordoznak információt

9 A membrán-elektrolit rendszer modellezése (Brown-dinamika) r i r E i r B i r E i q E r ( ) t r B i i i i k r i SD k e k Oroszi, Hasemann, Wolff, Dér, 2003

10 Concentration (a.u.) Ionrelaxáció Na bulk 200 Cl Time (µs)

11 Az ionrelaxáció jellemzői 1. sebesség 2. anizotrópia (F) 3. linearitás (E) 4. Függetlenség a geometriától (B,C,D) k k d ( t) ~ i xi ( t) dt k u ( t) i k ( t) k i Makroszkopikus jelekből molekuláris dipólváltozások!

12 Alkalmazás bakteriorodopszinra q Ludmann et al., 1998 q q q d k k 0 k 1 k 2 k n k 0 qd k

13 A mért és számított dipólmomentumok összehasonlítása

14 Röntgendiffrakciós szerkezetek Mérés: z = 1.34±0.1eÅ L Tóth-Boconádi et al., 2006

15 Példák a módszer további alkalmazásaira Ionpumpálás (halorodopszin, bakteriorodopszin, proteorodopszin) A fotoszintézis elsődleges folyamatai (növényi és bakteriális reakciócentrumok) Jelátvitel (Chlamydomonas rodopszin, squid rodopszin)

fotoszintézis elsődleges folyamatai (növényi és bakteriális

16 3D elektromos jelek mérése Dér et al. (1999)

17 MD modellek tesztelése Mérés MD modell Dér et al. (1999)

18 Közel-atomi szintű leírás Génsebészettel, kémiai, fizikai módosítással tetszés szerint alakíthatjuk

19 Halorodopszin (1977) Bakteriorodopszinból Cl-pumpa: Dér et al. (1989, 1991), Lanyi et al., Bamberg et al. (1997)

20 Mikrobiális rodopszinok Proteorodopszin (2000)

21 Optogenetika Az év módszere (2010) Brain Prize (2013) Agykutatás (neuronhálózatok in-vivo vizsgálata) Neurológiai és pszichiátriai kórképek (Parkinson-kór epilepszia, depresszió, skizofrénia) Vakság gyógyítása (retinitis pigmentosa, makuladegeneráció) Izomsejtek, -szövetek szelektív gerjesztése Irányított sejtmotilitás

22 II. Bioelektronikai alkalmazások (br-alapú száraz filmek) Keck Center for Molecular Electronics at Syracuse University Institute of Physical Chemistry University of Marburg

23 Integrált fotonika Szűk keresztmetszet : megfelelő nemlineáris optikai (NLO) kapcsolóanyagok - külső hatásra (elektromos, mágneses tér, fény) törésmutatóváltozás

24 Light intensity [a. u.] Optikai kapcsolás n~ Light on Light off Time [s] Dér et al, 2002, Dér et al. 2006

25 Fotonikus logika és bioszenzor BINARY TERNARY Dér et al, 2011, Mathesz et al. 2013

26 Rel. intensity [au] Ultragyors moduláció I-BR I Slit Gold Grating Waveguide Fiber Lens Trigger Det Det Peak Measured Probe&Pump Probe only Pump only <1ps Fabry-Perot* Delay 0.04 Laser Source 800 nm Laser Source 532 nm Relative time [10-1 ns] Fábián et al, 2010, Fábián et al. 2012

27 Tervek 1. A br kombinációja más fotonikus struktúrákkal (2-D fotonikus kristályok, plazmon hullámvezetők, stb.) 2. A br optikai tulajdonságainak optimalizálása (pontmutációk, retinál analógok) 3. Más fehérjék kipróbálása (Photoactive Yellow Protein)

28 Photoactive yellow protein (PYP) A Biofotonika új ága? Fotobionika Fábián, Mathesz, Dér (review) 2015

"A víz a fehérjéket körülvevő mátrix, amely biztosítja a stabilitásukat és a

29 III. A víz szerepe a fehérjedinamikában Hofmeister, 1888 A harmadik leggyakoribb molekula a világegyetemben (a H és a CO után), és a leggyakoribb a Földön. "A víz a fehérjéket körülvevő mátrix, amely biztosítja a stabilitásukat és a flexibilitásukat egyaránt." (Philip Ball) kosmotropes chaotropes Setchenow, 1889 o S log S K s c s

30 Hofmeister-sor a fehérjeaktivitásra is! A kozmotropok általában stabilizálnak és növelik az enzimaktivitást, a kaotropok pedig ellenkezőleg. De vannak olyan fehérjék, amelyeknél éppen fordítva van. A bakteriorodopszin fotociklusa Dér and Ramdsen, 1998

31 Mi lehet a hatásmechanizmus? További bizonyítékok a víz szerepére: Jarvis, Scheiman, 1968 Dér et al Megint a Hofmeister sor, de nincs előjel-váltás! FTIR-mérések

32 Határfelületi feszültség hipotézis ( Csepp-modell ) kosmo chao Dér et al., J. Phys. Chem B, 2007

33 Következmények A sófüggő fehérje-víz határfelületi feszültség magyarázatot ad a Hofmeister-jelenségekre A pw : fehérje-víz határfelület ~ Ginterfacial if K S >0 A pw if K S <0 A fluktuációk valószínűsége: G total P( A) exp(- E/kT) 1 1: stabil zárt konformáció 2: stabil nyitott konformáció 0 2 W kt A pw A c A p

34 Fluktuációk br Szalontai et al. (2013) Mb Hb Dér et al. (2013) Neagu, Neagu, Dér (2001)

35 A Csepp-modell alátámasztása Trp-cage miniprotein 20 aminosav Stabil szerkezet Sóhíd Hidrofób mag Kísérleti leírás MD szimulációk Explicit víz, kozmotróp (F - ), kaotróp (NO 3-, ClO 4- ) és Cl - ionokkal Pro 17 Pro 18 Pro 19 Pro 12 Trp 6 Tyr 3

36 MD szimulációk Statisztikus A: Solvent termodinamika accessible surface area (SASA) B: SASA-fluktuációk só-víz víz só Egyezés az elméleti jóslattal! Bogár, Násztor, Leitgeb, Dér, 2014

Tervek Összefoglaló cikk a Current Opinion of Colloid and Interface Science folyóiratba Aminosavak Hofmeister-sora (Szalontai Balázs) MD szimulációk

) A határfelületi vízréteg szerepe a biológiai barrierek funkciójában (Deli Mária és mtsi.

37 Tervek Összefoglaló cikk a Current Opinion of Colloid and Interface Science folyóiratba Aminosavak Hofmeister-sora (Szalontai Balázs) MD szimulációk és kísérletek erősen rendezett és rendezetlen fehérjéken (amyloid-beta, IDPs) (Tompa Péter, Groma Géza, Bogár Ferenc, Násztor Zoltán, Leitgeb Balázs ) A határfelületi vízréteg szerepe a biológiai barrierek funkciójában (Deli Mária és mtsi.) Microfluidic inlets Upper channel (endothel cells) Glass plates with gold electrodes Separating membrane with micron-sized pores Lower channel (asztroglia and pericita cells) silicon gum Walter et al., 2015

38 Köszönetnyilvánítás Tanítómesterek Keszthelyi Lajos Ormos Pál

39 Bioelektronika Laboratórium Tóth-Boconádi Rudolf Fábián László Leitgeb Balázs Kincses András Mathesz Anna Násztor Zoltán Kooperációs partnerek Valkai Sándor, Oroszi László, Deli Mária, Váró György, Walter Fruzsina, Zimányi László, (SzBK), Osvay Károly, Merő Márk, Bogár Ferenc (SzTE), Deák Róbert, Derényi Imre (ELTE), Hámori András, Serényi Miklós, Horváth Róbert (MFA), Tompa Péter (TTK), Mátyus Péter (SOTE), Iván Kristóf (PPKE), Jeremy Ramsden (Cranfield), Elmar Wolff (Witten-Herdecke)

Hasonló dokumentumok

Dér András MTA SZBK Biofizikai Intézet

Hogyan befolyásolja a határfelületi vízréteg szerkezete a fehérjeműködést? Dér András MTA SZBK Biofizikai Intézet Felületi feszültség Geometriai optimalizáció Biológiai érhálózat γ dw da Eötvös mérései