Бактеріородопсин для зберігання даних - Банк рефератів, творів, доповідей, курсових
Молекулярна електроніка визначається як кодування (запис), обробка та розпізнавання (зчитування) інформації на молекулярному та макромолекулярному рівні. Основна перевага молекулярного наближення полягає у можливості молекулярного дизайну та виробництва приладів "знизу нагору", тобто. атом за атомом або фрагмент за фрагментом - параметри приладів визначаються органічним синтезом і методами генної інженерії. Двома загальновизнаними перевагами молекулярної електроніки є значне зменшення розмірів пристроїв та часу спрацьовування (gate propagation delays) логічних елементів.
У принципі, темпи розвитку комп'ютерних технологій такі, що розміри напівпровідникових чіпів згідно із законом Мура наблизяться до молекулярних аналогів близько 2030 року, що, однак, вимагатиме значних фінансових витрат. Виходом із положення може стати гібридна молекулярна та напівпровідникова технологія, першим комерційним успіхом якої стали рідкокристалічні дисплеї (LCD).
Біоелектроніка, що є розділом молекулярної електроніки, досліджує можливість застосування біополімерів як керовані світлом або електричними імпульсами модулів комп'ютерних та оптичних систем (Birge R.R., 1999). Основна вимога до ймовірних кандидатів серед великого сімейства біополімерів полягає в тому, що вони повинні оборотно змінювати свою структуру у відповідь на певний фізичний вплив і генерувати принаймні два дискретні стани, що відрізняються фізичними характеристиками, що легко вимірюються (наприклад, спектральними параметрами).
Значний інтерес у зв'язку з цим представляють білки, основна функція яких пов'язана з трансформацією енергії світла в хімічну в різнихфотосинтетичні системи. Найбільш вірогідним кандидатом серед них є світлозалежний протонний насос - бактеріородопсин (БР) з галофільного мікроорганізму Halobacterium salinarum (раніше Halobacterium halobium), відкритий 1971 (Oesterhelt D., Stoeckenius W., 1971).
Бактеріородопсин - ретиналь-містить генератор протонного транспорту являє собою трансмембранний білок 248 амінокислот з молекулярною вагою 26 кДа, що пронизує мембрану у вигляді семи a-спіралей; N- і C-кінці поліпептидного ланцюга знаходяться по різні сторони цитоплазматичної мембрани: N-кінець звернений назовні, а C-кінець – усередину клітини (рис.1, 2).
Мал.1.Модель БР в елементах вторинної структури. Виділено амінокислоти, що беруть участь у протонному транспорті: кружками залишки аспарагінової кислоти, квадратом залишок аргініну. З Lys-216 (К-216) утворюється основа Шиффа (SB). Стрілкою показано напрямок протонного транспорту.
Хромофор БР – протонований альдимін ретиналю з e – аміногрупою залишку Lys-216 розміщений у гідрофобній частині молекули. Після поглинання кванта світла в ході фотоциклу відбувається ізомеризація ретиналю з all-E 13Z-форму. Білкове мікрооточення хромофора може розглядатися як рецептор із субстратною специфічністю для all-E/13Z-ретиналю, який каталізує цю ізомеризацію при кімнатній температурі. Крім того, частина амінокислот відповідальна за придушення ізомеризації, відмінних від all-E /13Z, наприклад від all-E- до 7Z-, 9Z-, 11Z-ретиналю. Решта поліпептидного ланцюга забезпечує канал протонного транспорту або екранує внутрішню фотохромну групу від впливів зовнішнього середовища.
Взаємна топографія утворених поліпептидним ланцюгом БР елементів вторинної структури після поглинання молекулою хромофоракванта світла змінюється, у результаті формується канал трансмембранного перенесення протонів з цитоплазми у довкілля. Однак молекулярний механізм світлозалежного транспорту досі невідомий.
Рис.2.Схематична модель тривимірної (просторової) структури БР (PDB Index 1FBB). Сім a-спіралей формують хромофорну порожнину та трансмембранний канал перенесення протону.
БР міститься в клітинній мембрані H. salinarum - галофільної архебактерії, яка живе та розмножується в солоних болотах та озерах, де концентрація NaCl може перевищувати 4 М, що у 6 разів вище, ніж у морській воді (
0,6 М). Цей унікальний білок багато в чому подібний до зорового білка родопсину, хоча їх фізіологічні функції різні. У той час як зоровий родопсин діє як первинний фоторецептор, який забезпечує темновий зір більшості хребетних тварин, фізіологічна роль БР полягає в тому, щоб давати можливість галобактерії діяти як факультативним анаеробам у разі, коли парціальний тиск кисню в навколишньому середовищі мало. Білок функціонує як світлозалежний протонний насос, який забезпечує утворення електрохімічного градієнта протонів на поверхні мембрани клітини, який, своєю чергою, служить для акумулювання енергії. Первинна робота, вироблена градієнтом, полягає у синтезі АТФ через анаеробне (фотосинтетичне) фосфорилювання і, у цьому випадку, є класичний приклад хеміосмотичної гіпотези Мітчелла про окисне фосфорилювання. Коли освітлення відсутнє, а парціальний тиск кисню високо, бактерії повертаються до аеробного окисного фосфорилування (Lanyi J.K., 1978).
Клітини H. salinarum містять також два так званих сенсорнихродопсину (СР I та СР II), які забезпечують позитивний та негативний фототаксис. Різні довжини хвиль зчитуються СР I та СР II як детекторними молекулами, що викликає каскад сигналів, що управляють джгутиковим двигуном бактерії. За допомогою такого елементарного процесу світлового сприйняття мікроорганізми самостійно переміщуються у світ відповідного спектрального складу. Крім того, в клітинах є галородопсин (ГР), що є світлозалежним насосом іонів Cl–. Його основна функція - транспорт у клітину іонів хлору, які постійно губляться бактерією, переміщаючись у напрямку зсередини -> назовні під впливом електричного поля, створюваного БР. Механізм дії ГР незрозумілий. Передбачається, що Cl-зв'язується з позитивно зарядженим четвертинним азотом протонованого Шиффова основи, а ізомеризація ретиналю з all-E в 13Z-форму викликає переміщення цього азоту з прикріпленим до нього іоном Cl-від вхідного до вихідного Cl-провідному шляху.
Мал.3.Ділянка пурпурової мембрани (вид зверху).
БР локалізований у ділянках клітинних мембран H. salinarum у вигляді пурпурових мембран (ПМ), що утворюють двовимірні кристали з гексагональними ґратами. Ці ділянки містять сам білок, деякі ліпіди, каротиноїди та воду (рис.3). Зазвичай вони мають овальну або круглу форму із середнім діаметром близько 0,5 мкм і містять близько 25% ліпідів та 75% білка (Oesterhelt D., Stoeckenius W., 1974). ПМ стійкі до сонячного світла, впливу кисню, температурі більш ніж 80ºC (у воді) та до 140ºC (сухі), рН від 0 до 12, високій іонній силі (3 М NaCl), дії більшості протеаз, чутливі до сумішей полярних органічних розчинників водою, але стійкі до неполярних розчинників типу гексану. Велике практичне значення маєіснуюча можливість вбудовування ПМ у полімерні матриці без втрати фотохімічних властивостей.
Протонний транспорт, що індукований світлом, супроводжується рядом циклічних спектральних змін БР, сукупність яких називається фотоциклом (рис.4). Тридцять років досліджень призвели до досить детального розуміння фотоциклу, проте подробиці протонного транспорту досі вивчаються.
Фотохімічний цикл БР складається з окремих інтермедіатів, які можуть бути ідентифіковані як максимум поглинання, так і кінетикою освіти та розпаду. На рис.4 показано спрощену модель фотоциклу БР (Hampp N., 2000).
Мал.4.Фотоцикл БР.
Фотохімічні та теплові стадії показані як товсті та тонкі стрілки відповідно. Вертикальні символи вказують на all-E-конформацію ретиналю (інтермедіатиBіО), похилі символи - на 13Z-конформацію. У темряві БР перетворюється на 1:1 сумішDіB, ця суміш називається темноадаптованим БР. При висвітленні БР відбувається світлова адаптація, тобто. перехід до основного стануB. Звідти починається фотоцикл, що призводить до транспортування протону через мембрану. Протягом переходуL->М, що триває приблизно 40 мксек, Шиффова основа депротонується і Asp85 стає протонованим. Звідти протон йде до зовнішнього боку позаклітинної частини протонного каналу. Протягом переходуМ->Nальдимін репротонується. Як донора протонів виступає залишок Asp96. Asp96 репротонується через цитоплазматичний протонний напівканал. У той час як усі перетворення між інтермедіатами оборотні, перехід відMIдоMII, як вважають, є основним незворотним кроком у фотоциклі. Протягом цього переходу азот Шиффова основистає недоступним для позаклітинної частини протонного каналу, лише для цитоплазматичного напівканалу (Brown L.S. et al, 1998), що пов'язані з конформаційними змінами білкової молекули.
Фізико-хімічні властивості інтермедіатів характеризуються довжиною хвилі їх максимумів поглинання та величиною специфічного молярного коефіцієнта екстинкції. Протонування SB та конфігурація ретиніліденового залишку впливає на величини максимумів поглинання. Протягом фотоциклу БР відбувається декілька залежних від температури конформаційних змін у білку, таким чином формування більшості інтермедіатів може бути придушене охолодженням.
Крім основного фотоцикла є два стани, які можуть бути спричинені штучно. В інтермедіатах PтаQконформація ретиналю 9Z. Це досягається після фотохімічного збудження all-E-ретиналю, коли в той же час ASP85 протоновано. Це може бути досягнуто в дикому типі БР за низького значення pH або деіонізацією (формування так званих блакитних мембран), проте такі препарати нестабільні. Альтернативним підходом є заміна Asp85 амінокислотою, що має інше значення pKa, яка залишається незарядженою при значеннях pH, що цікавлять, або повне видалення карбоксильної групи методами сайт-спрямованого мутагенезу. Стабільність таких мутантних блакитних мембран вища.
Унікальні властивості бактеріородопсину забезпечують широкий діапазон технічних додатків, в яких він може використовуватися, проте комерційно здійсненні на сьогоднішній день лише оптичні, оскільки їхня інтеграція в сучасні технічні системи найбільш проста.
Оптичні програми засновані на застосуванні плівок БР - полімерних матриць різного складу з включеними до них молекулами білка.Вперше у світі такі плівки на основі дикого типу БР були отримані та досліджені в нашій країні у рамках проекту "Родопсин"; у 80-х роках було продемонстровано ефективність та перспективність застосування таких матеріалів, названих "Біохром", як фотохромні матеріали та середовище для голографічного запису.
Дуже цікавою є можливість варіювання фотохімічних властивостей плівок БР: а) заміною природного хромофора на модифікований; б) хімічними (фізико-хімічними) впливами; в) точковими замінами певних амінокислотних залишків методами генетичної інженерії.
Такі модифіковані матеріали можуть мати цінні специфічні властивості, що зумовить їх використання як елементної бази біокомп'ютера.
Автори статті: Студентка 5-го курсу МАТХТ ім. М.В. Ломоносова, бакалавр технології та біотехнології Гончарова Олена. Головний науковий співробітник ФДУП "ДержНДІгенетика", д.б.н. Складнєв Д.А