На главную ДЛЯ НОВИЧКОВДЛЯ НОВИЧКОВ СОБЫТИЯ КАРТА САЙТА ПРЕСС-СЛУЖБА
ДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВ ДАТЫ ПОЛЕЗНЫЕ ССЫЛКИ О ПРОЕКТЕ
ДЛЯ ИНВЕСТОРОВДЛЯ ИНВЕСТОРОВ КОМПАНИИ ГОСТЕВАЯ НАГРАДЫ
SWITCH TO ENGLISH СТАТЬИСТАТЬИ БАЗА ДАННЫХ ФОРУМ КОНТАКТЫ
поиск по сайту  
подписка  


"Архебактерии - первые на Земле, первые в биокомпьютерах?"

Бактериородопсин в применении для хранения данных

Бактериородопсин как фотохромный материал

Бактериородопсин: структура и функции

<<Другие статьи


БИОКОМПЬЮТЕРЫ

Бактериородопсин как фотохромный материал

Развитие современных технологических (в частности, оптоэлектронных) систем часто связывают с интеграцией в них различных биокомпонентов. Основными сложностями на этом пути являются, во-первых, непосредственное структурирование биоматериала и, во-вторых, интерфейс биокомпонента с остальной частью стандартной системы.

Уникальный природный белок бактериородопсин (БР), входящий в состав белково-липидного комплекса в клеточных мембранах галофильных бактерий - пурпурных мембран, из-за своих свойств (поразительной устойчивости и сравнительной доступности) является на сегодняшний день наиболее подходящим кандидатом для гибридных технологий. Подтверждением этого может служить большое количество технических приложений, предложенных для БР, а также возросшее количество патентов на его (или материалов на его основе) применение, поскольку именно они отражают заинтересованность в коммерческой эксплуатации нового материала или новой методики.

Количество предложенных для БР вариантов технического применения, их разнообразие действительно впечатляют: от опреснения морской воды и биосенсоров для ферментативных реакций до нейронных сетей и голографической интерферометрии (Hampp N., 2000). Подавляющее большинство предложенных технических применений использует фотохромные свойства БР. Почему? Во-первых, не требуется макроскопической ориентации пурпурных мембран, достаточно гомогенного распределения биоматериала в несущей матрице. Во-вторых, оптический интерфейс приложений позволяет легко интегрировать биокомпонент в систему.

Под фотохромизмом понимается обратимое превращение вещества, происходящее под действием света и сопровождаемое появлением или изменением поглощения света в видимой области спектра. Известны и используются как неорганические, так и органические фотохромные материалы.

Напомним, что под действием кванта света в процессе фотоцикла БР происходит перенос протона через молекулу, что требует депротонирования и репротонирования Шиффова основания в фотохромной группе. Это вызывает значительный сдвиг максимума поглощения (рис. 1).

Благодаря сложности фотоцикла БР, его математические модели довольно сложны. Скорости реакций тепловых преобразований зависят от типовой температуры. Кроме того, важно, используется ли незатухающая волна или импульсное возбуждение. При незатухающем возбуждении должно быть рассмотрено фотохимическое преобразование промежуточных звеньев.


Рис. 1. Спектры поглощения B и М состояний бактериородопсина. Фиолетовое B состояние - исходное состояние БР после световой адаптации. М - интермедиат наиболее сдвинут в голубую область от B. Для фотохромных применений фотохимическое взаимное преобразование B и М используется из-за большого фотохромного сдвига (приблизительно в 160 нм).

Для описания преобразования применяется мультипоказательная функция с семью компонентами, чтобы приблизительно соответствовать фотоэлектрическим, абсорбционным и преломляющим изменениям в БР.

Также часто используется (с соблюдением ограничений) чрезвычайно упрощенная модель фотоцикла, только относительно B и М состояний, для качественного или даже полуколичественного обращения совокупности интермедиатов (рис.2). Наиболее соответствует этой модели мутантный БР, у которого в положении 96 полипептидной цепи Asp заменен на Asn (D96N-БР).

Этот мутант получен методом сайт-специфического мутагенеза и исследуется во многих лабораториях по всему миру из-за увеличенного срока жизни интермедиата M. Дополнительные изменения фотохромных свойств БР также можно получить путем замещения природного хромофора на модифицированный или использованием химических веществ и физических воздействий различного рода (низких температур, электрических и магнитных полей, уровня влажности, рН и др.). Существует, правда, одна проблема: невозможно сегодня предсказать, как вышеперечисленные воздействия влияют на обратимость (реверсивность) молекулы белка; вполне реально, что после сотни или тысячи циклов они приводят к потере фотохимической стабильности материала.


Рис. 2. Упрощенная модель фотоцикла БР. Рассматривается только начальное состояние B и самый долгоживущий интермедиат М. Фотохимические переходы k1 и k2 зависят от интенсивностей длин волн. Для упрощения принимается, что каждая длина волны управляет только одним переходом. Тепловой путь от М до B дан k3, который зависит от срока жизни состояния М. Материал с неограниченным тепловым сроком жизни М был бы самым лучшим фотохромом на основе БР.

Фотохимическая стабильность определяется количеством раз, которым фотохромный материал может быть фотоконвертирован между двумя конечными продуктами (основным и возбужденным) до тех пор, пока 37 % (1/e) облученных ансамблей молекул не подвергнется денатурации. Эта характеристика называется цикличностью и она превышает 106 для БР при нормальной температуре (Birge R. R., 1999). У нескольких других органических фотохромных материалов цикличность приближается к данному значению, но они обычно имеют низкий квантовый выход для процесса фотоконверсии (у БР 64%). Такие высокие показатели БР основываются на защитных функциях белкового микроокружения, изолирующего хромофор от реакционно-способного кислорода и свободных радикалов. Таким образом, утверждение о том, что биологические материалы слишком фотолабильны для их применения в оптоэлектронных устройствах не относятся к случаю БР.

Необходимо также заметить, что благодаря "устойчивости" хромофора, пленки с БР не подвержены эффекту матрицы, поэтому показатель преломления материала и спектральная зависимость вызванных светом изменений показателя преломления хорошо согласуются с моделью Крамерса-Кронига для теоретического хромофора. Это обстоятельство чрезвычайно важно для применения в голографии.

Именно из-за высокой обратимости основной областью для промышленного применения БР будет, возможно, оптическая обработка данных, например, распознавание образов или голографическая интерферометрия. Число требуемых элементарных циклов записи-чтения-стирания (WRE) здесь очень высоко. Например, при обработке изображения в реальном времени требуется приблизительно 106 циклов WRE в течение одной операции, что вне возможностей большинства синтетических органических фотохромных материалов.

Голографическое распознавание образов - это сравнение двух одновременных входных изображений. Допустим, требуется найти специфическое слово в тексте. В этом случае весь текст отображается в одном канале коррелятора, а требуемое слово в другом. Сигналом корреляции будет пик, указывающий на местонахождение слова. Кроме того, будет несколько более слабых сигналов. Они соответствуют словам, которые являются подобными, но не идентичными первоначальному слову. Голографический коррелятор не только указывает местонахождение слова, но также дает меру степени подобия. БР идеально соответствует запросам голографического распознавания образов к материалу записи.

Голографическая интерферометрия - современная методика анализа деформации объектов в масштабе от 1/10 до 1/100 длины волны путем обработки сложного оптического сигнала.

Освещение объекта когерентным светом генерирует беспорядочную световую волну. Часть ее фиксируется носителем записи, БР пленкой. Одновременно на БР пленке записывается голограмма отражательного типа. Схема установки для гомодинной интерферометрии с пленками БР дана на рис. 3.

Луч лазера разделяется специальным устройством (BS) на объектный луч и опорный луч. Интенсивность объектного луча корректируется поляризатором (GT). Расширители луча (BE) увеличивают лучи, которые освещают объект. От него отражается беспорядочная световая волна, освещающая БР пленку. Опорный луч расширяется и накладывается на предметную волну в плоскости БР пленки, формируя голограмму отражательного типа. Затем объект деформируется и процедура повторяется. После этого, по крайней мере, две голограммы сосуществуют в БР пленке. Для реконструкции обеих объектный луч выключается, а опорный луч освещает голограмму. Синхронизация лучей происходит посредством механических заслонок (SH). Восстановленные голограммы смешиваются, и возникающее в результате распределение интенсивности контролируется CCD-камерой. Поляризатор перед камерой (PF) необходим, чтобы подавить беспорядочный свет.


Рис. 3. Эскиз голографической камеры для неразрушающего тестирования.

Таким образом, бактериородопсин в значительной степени отвечает требованиям, необходимым чтобы быть первым "испытательным участком" для промышленного применения. Он имеет технически интересную функцию, высокую тепловую и химическую стабильность. Более того, доступна связь структуры и функции, существуют методы, чтобы изменить его структуру и свойства и производить измененный материал в больших количествах. Потенциал для промышленного применения БР был обнаружен более 20 лет назад, однако для широкого практического использования существует один серьезный сдерживающий фактор - БР не является взаимно однозначной заменой. Сейчас не существует никаких технических систем, где бы можно было просто снять какой-либо компонент и заменить его на новый, сделанный на основе БР. Для этого необходимо перепроектировать технические системы так, чтобы они соответствовали новому изделию. Именно на этом и сфокусированы текущие исследования по интеграции БР в технические системы.

Авторы статьи:

Студентка 5-го курса МАТХТ им. М.В. Ломоносова, бакалавр технологии и биотехнологии Гончарова Елена.

Главный научный сотрудник ФГУП "ГосНИИгенетика", д.б.н. Складнев Д.А.



Rusbiotech™
Copyright © 2000-2003 Rusbiotech
designed by Интерруссофт © 2003