Bakteriorhodopsin (BR) ist ein Membranprotein, das z. B. in Halobakterien in der Form eines zweidimensionalen, scheibenförmigen, wasserunlösli- chen Kristalls, der sogenannten Purpurmembran (PM) vorkommt. Die Purpurmembran hat eine Dicke von ca. 5 nm. Der Durchmesser der Purpurmembran liegt typischerweise im Bereich von 300 nm bis 1000 nm.

Die Purpurmembran besteht aus a-helikalen Bakteriorhodopsinmolekülen und ca. 10 Lipidmolekülen pro Bakteriorhodopsinmolekül. Das Bakterio- rhodopsin ist in die aus den Lipidmolekülen gebildete Lipidmembran fast voliständig eingebettet. Daraus ergibt sich seine ungewöhnliche thermo- dynamische Stabilität.

Bakteriorhodopsin in Purpurmembran-Form wird als photochromes Material für optische Anwendungen technisch genutzt. Weiter ist Bakte- riorhodopsin in Purpurmembran-Form als Material mit photoelektrischen Eigenschaften von technischer Bedeutung.

Für diese technischen Anwendungen ist die kovalente Quervernetzung von Purpurmembranen untereinander vorteilhaft. Bei der Verwendung von Bakteriorhodopsin in der Photovoltaik werden pro Purpurmembranschicht etwa 300 mV erhalten. Durch die Bildung von mehreren Purpurmembran-

schichten übereinander mittels kovalenter Quervernetzung können Elemente erhalten werden, die höhere Spannungen liefern. Ein weiterer interessanter Aspekt ist die kovalente Kopplung von Purpurmembranen an Oberflächen, Polymere oder kleinere Moleküle, z. B. Farbstoffe.

Üblicherweise versucht man, für die kovalente Bindung von Purpurmem- branen niedermolekulare Linkermoleküle, z. B. Glutaraidehyd, einzusetzen.

Allerdings verlaufen diese Kopplungsreaktionen mit sehr schlechter Aus- beute. Der Grund dafür ist, dass nur wenige Aminosäuren von Bakterio- rhodopsin außerhalb der Lipiddoppelschicht der Membran liegen, sterisch gehindert sind und nur schwer mit den niedermolekularen Kopplungs- reagenzien reagieren. Niedermolekulare Kopplungsreagenzien haben aber noch einen weiteren gravierenden Nachteil. Sie können durch den Proto- nenkanal bis in das aktive Zentrum von Bakteriorhodopsin vordringen.

Insbesondere eine Reaktion der Linkermoleküle mit der Bindungsstelle des Retinalaldehyds an Lysin-216 (Schiff-Base) führt zu einer irreversiblen Schädigung der gewünschten Funktionen des Proteins. Deshalb sind die weit verbreiteten niedermolekularen Kopplungsreagenzien, die mit Amino- gruppen reagieren, besonders nachteilig. Weiter müssen die niedermole- kularen Linker im Überschuss zugegeben werden, um wenigstens eine einigermaßen akzeptable Ausbeute und Vernetzungsgeschwindigkeit zu erzielen. Eine Vielzahl nicht reagierter Moleküle bleibt im Material und müsste nach der Reaktion entfernt werden. Dies ist z. B. bei der Her- stellung von optischen Filmen nicht möglich.

Die Nachteile niedermolekularer Linker sind im Folgenden kurz stichpunkt- artig zusammengefasst : -Wenige Aminosäuren von Bakteriorhodopsin sind für Linker zugänglich.

-Linker, die mit funktionellen Aminogruppen reagieren, dürfen nicht eingesetzt werden.

Nicht abreagierte Linker müssen entfernt werden, da sonst eine unkontrollierte, zeitlich lang andauernde Nachreaktion erfolgen wird, die zu einer stetigen Änderung der Material- eigenschaften und fehlender Langzeitstabilität führt.

Eine Aufgabe der Erfindung bestand somit darin, ein Verfahren zur kovalenten Verknüpfung von Bakteriorhodopsin in Membranform, ins- besondere zur direkten Quervernetzung von Purpurmembranen, ohne Verwendung von niedermolekularen Linkern bereitzustellen. Ein weiterer Einsatzbereich ist die Kopplung von Bakteriorhodopsin in Membranform an Oberflächen, Polymere oder Hilfsstoffe, insbesondere Farbstoffe.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von kovalent vernetztem Bakteriorhodopsin gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass Bakteriorhodopsin in membrangebundener Form als Substrat einer Transglutaminase, insbesondere einer bakteriellen Transglutaminase kovalent quervernetzt wird.

Unter dem Begriff Bakteriorhodopsin, wie er hierin verwendet wird, wird sowohl der Bakteriorhodopsin-Wildtyp (BR-WT) als auch Bakteriorhodop- sin-Varianten verstanden. Der Begriff Bakteriorhodopsin-Varianten um- fasst sowohl Bakteriorhodopsin-Moleküle, die sich von BR-WT durch Addition, Substitution, Deletion und/oder Insertion von Aminosäuren, insbesondere von mindestens einer, besonders bevorzugt von mindestens zwei, am meisten bevorzugt von mindestens drei, und bis zu 50, bevor- zugt bis zu 20, und besonders bevorzugt bis zu 10 Aminosäuren unter- scheiden. Weiterhin fallen unter den Begriff Varianten auch Bakteriorho- dopsin-Moleküle, in denen Retinal durch retinalanaloge Moleküle ersetzt ist, sowie Bakteriorhodopsin-Moleküle, die chemisch modifiziert wurden, beispielsweise durch Einführen von Schutzgruppen oder funktionellen Seitengruppen.

Für die Zwecke dieser Erfindung umfasst der Ausdruck"Bakteriorhodop- sin"auch strukturell mit Bakteriorhodopsin verwandte Membranproteine, die in membrangebundener Form vorliegen und eine Homologie von mindestens 70%, mehr bevorzugt mindestens 80%, am meisten bevor- zugt mindestens 90%, zum Bakteriorhodopsin-Wildtyp aufweisen.

Homologie, wie hierin verwendet, wird definiert als H (%) = (1-A/[BR-WT]) x 100, worin H die Homologie in Prozent bedeutet, A die Anzahl der gegenüber der Bakteriorhodopsin-Wildtypsequenz vorhandenen Änderungen darstelit und [BR-WT] die Anzahl der Aminosäuren der Bakteriorhodopsin-Wild- typsequenz ist.

Beispiele für strukturell mit Bakteriorhodopsin verwandte Membranpro- teine in membrangebundener Form, die von der Erfindung umfasst sind, sind Halorhodopsin sowie Sensorrhodopsin. Diese Membranproteine liegen in der Membranform nichtkristallin vor.

Erfindungsgemäß bevorzugt einzusetzende Bakteriorhodopsin-Materialien umfassen Bakteriorhodopsin-Wildtyp sowie Bakteriorhodopsin-Varianten mit einer veränderten Aminosäuresequenz. Bevorzugt weisen die Bakte- riorhodopsin-Varianten eine modifizierte physikalische Funktion auf, insbesondere eine modifizierte Lichtempfindlichkeit, eine veränderte Farbe oder eine veränderte Kinetik des photochromen Verhaltens von Bakte- riorhodopsin. Am meisten bevorzugt sind Bakteriorhodopsin-Varianten, bei denen gezielt Bindungsstellen für die enzymatische Quervernetzung mit Transglutaminase deletiert bzw. eingeführt sind. Besonders bevorzugt werden Bakteriorhodopsin-Varianten verwendet, bei denen Gln oder Lys deletiert oder durch andere Aminosäuren ausgetauscht sind. In Bakte- riorhodopsin befindet sich eine Lys-Bindestelle intrazellulär (= C-Termi- nus) an den Positionen Lys41, Lys42, Lys159 und Lys172 sowie extra- zellulär (N-Terminus) an Position Lys129. Gln-Bindungsstellen finden sich in Bakteriorhodopsin extrazellulär (= N-Terminus) an den Positionen Gln3

und Gln75. Es wurde festgestellt, dass insbesondere die Aminosäuren Gin3 und Lys129 als Bindestellen bei der Umsetzung mit Transglutami- nase fungieren.

Weiterhin bevorzugt sind solche Bakteriorhodopsin-Varianten, bei denen in eine Schleife Gin oder Lys so eingeführt ist, dass es für Transglutami- nase zugänglich ist. Besonders bevorzugt sind solche Bakteriorhodopsin- Varianten, bei denen eine oder zwei Bindungsstellen für Transglutaminase vorliegen. Bei Vorliegen von zwei Bindungsstellen, die für die Trans- glutaminase zugänglich sind, können die beiden Bindungsstellen entwe- der auf der gleichen Membranseite oder bevorzugt auf unterschiedlichen Membranseiten angeordnet sein, d. h. eine Bindungsstelle auf der zyto- plasmatischen Seite und eine auf der extrazellulären Seite. Auf diese Weise ist ein gerichtetes Übereinanderschichten von Membranen im Gegensatz zu einer statistischen Quervernetzung möglich. Durch ein gerichtetes Übereinanderschichten können Elemente erzeugt werden, in denen sich die Spannung von 300 mV pro Schicht mit der Anzahl der Schichten erhöht. Bei bisher bekannten Verfahren zur Bildung von mehr- schichtigen BR-Purpurmembranen wird lediglich eine Vorzugsorientierung von etwa 10% erhalten. Erfindungsgemäß ist hingegen ein gerichtetes Übereinanderschichten mit einer deutlich höheren Vorzugsorientierung möglich. Bevorzugt werden etwa 4 bis 10 BR-Purpurmembran-Schichten übereinandergelagert, wobei eine Vorzugsorientierung um mehr als 30%, bevorzugt von mehr als 50% und besonders bevorzugt von mehr als 80% erhalten werden kann.

Weiterhin sind Bakteriorhodopsin-Varianten bevorzugt, in denen Retinal durch retinalanaloge Moleküle ersetzt ist, wodurch beispielsweise der Photozyklus des Bakteriorhodopsin-Materials verändert werden kann.

Retinalanaloge Molekule sind Moleküle, die als Chromophor im Bakte- riorhodopsin eingebaut werden können und sich von Retinal z. B. durch eine Derivatisierung unterscheiden.

Eine weitere bevorzugte Klasse von Bakteriorhodopsin-Materialien sind Bakteriorhodopsin-Varianten bzw. Bakteriorhodopsin-Wildtyp, die che- misch modifiziert wurden. Geeignete Modifizierungen sind beispielsweise im US-Patent 5,922,843 beschrieben. Die Varianten können auch durch Blockierung von Aminosäuren, beispielsweise durch Schutzgruppen oder andere chemische Modifizierung der Aminosäureseitenketten modifiziert werden.

Bakteriorhodopsin-Varianten können auch durch enzymatische Vorbe- handlung von Bakteriorhodopsin-Wildtyp bzw. Bakteriorhodopsin-Varian- ten erhalten werden. Eine enzymatische Spaltung kann beispielsweise mittels Peptidasen herbeigeführt werden, wobei insbesondere der Amino- terminus entfernt wird oder Spaltungen in den außerhalb der Membran liegenden Schleifen ("Loops") herbeigeführt werden.

Es können auch Varianten eingesetzt werden, die eine Kombination von mehreren der oben genannten Modifikationen aufweisen.

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass Bakteriorhodopsin in membrangebundener Form und insbesondere in Purpurmembran-Form ein Substrat der Transglutaminase und insbesondere der bakteriellen Transglutaminase (bTGA) ist. Dies ist insbesondere deshalb unerwartet, da, wie oben ausgeführt, die Aminosäuren des Bakteriorhodopsins in der Membranform, insbesondere in der Purpurmembran-Form, zum über- wiegenden Teil innerhalb der Lipiddoppelschicht der Membran liegen und somit nicht zugänglich sind. Das Bakteriorhodopsin liegt in der Purpur- membran-Form nicht in freier Form, sondern als übergeordnete, scheiben- förmige Protein-Lipid-Kristallstruktur vor. Trotzdem wird es überraschen-

derweise von bakterieller Transglutaminase als Substrat angenommen und umgesetzt.

Bisher war lediglich bekannt, dass lösliche Proteine, wie etwa Enzyme, an einen Träger, beispielsweise an Gelatine oder ein Markerenzym, Trans- glutaminase-katalysiert gekoppelt werden können. Solch ein Verfahren wird z. B. in DE 197 32 917 C1 beschrieben. Dazu werden Proteinlösun- gen mit Transglutaminase umgesetzt. Einen Hinweis, dass wasserunlös- liche Proteine oder gar wasserunlösliche Protein-Lipid-Aggregate als Substrat von Transglutaminase angenommen werden, wird in DE 197 32 917 nicht offenbart. Noch viel weniger wird Bakteriorhodopsin oder gar Bakteriorhodopsin in Purpurmembran-Form in Erwägung gezo- gen.

Ein ähnliches Verfahren zur Umsetzung von wasserlöslichen Proteinen mit TGA, beispielsweise die Quervernetzung von Kasein oder Gelatine, wird auch in US 5,731,183 und US 5,948,662 beschrieben. Dazu werden Lösungen der Proteine mit den in diesen US-Patenten offenbarten speziellen Transglutaminasen umgesetzt. Eine Offenbarung oder einen Hinweis darauf, dass auch wasserunlösliche Proteine oder gar übergeord- nete Strukturen als Substrat für TGA dienen könnten, findet sich nicht.

Noch viel weniger wird Bakteriorhodopsin oder gar Bakteriorhodopsin in Purpurmembran-Form erwähnt.

Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, dass man mit Hilfe von TGA Bakteriorhodopsin in der Membranform und sogar in der Purpur- membran-Form direkt und ohne Hinzunahme niedermolekularer Linkermo- leküle untereinander quervernetzen kann. Weiterhin können an das Bakteriorhodopsin Polymere, auch andere Substanzen, wie etwa Ober- flächen oder Hilfsstoffe, z. B. Farbstoffe, gebunden werden. Die Quer- vernetzung findet bei etwa 40°C statt. Durch nachfolgende Erwärmung des Reaktionsansatzes auf 80°C wird die TGA inaktiviert. Bakteriorho-

dopsin in Purpurmembran-Form übersteht die Wärmebehandlung unbe- schadet. So kann die Reaktion gezielt gestoppt werden. Eine Entfernung von überschüssigen niedermolekularen Linkern ist nicht notwendig.

Bakteriorhodopsin-Purpurmembranen, insbesondere unterschiedliche Varianten von Bakteriorhodopsin-Purpurmembranen, können sowohl als erstes wie auch als zweites Substrat für TGA, insbesondere bTGA fungieren. Dadurch ergeben sich umfangreiche Möglichkeiten zur direkten Vernetzung von Purpurmembranen untereinander oder/und zur kovalenten Kopplung von Polymeren, Oberflächen oder/und Substraten an Bakter- iorhodopsin in Purpurmembran-Form sowohl in quervernetzter als auch in nicht-vernetzter Form.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur kovalenten Verbindung von Bakteriorhodopsin in Membranform, insbesondere in Purpurmembran-Form an Polymere, Oberflächen oder/und Hilfsstoffe mittels TGA, wobei das Bakteriorhodopsin und das weitere Substrat mit einer Transglutaminase umgesetzt und miteinander kovalent verknüpft werden. Durch ein solches Verfahren können zum Beispiel kovalent verknüpfte Konjugate bestehend aus Bakteriorhodopsin in Purpurmemb- ran-Form und einem weiteren Motekü ! gebildet werden. Geeignete Poly- mere, an die Bakteriorhodopsin in Purpurmembran-Form mittels TGA kovalent gebunden werden kann, umfassen zum Beispiel Gelatine, Polyvinylalkohol und Polyethylen, die Seitengruppen-modifiziert sein können. Geeignete Substrate oder Hilfstoffe sind insbesondere nieder- molekulare Verbindungen, wie etwa Farbstoffe.

Da erfindungsgemäß auf jegliche Linkermoleküle verzichtet werden kann, ergeben sich erhebliche wirtschaftliche und technologische Vorteile.

Neben den oben beschriebenen Bakteriorhodopsinen in membrangebun- dener Form kann erfindungsgemäß unter Verwendung einer Transglutami-

nase auch Bakteriorhodopsin in löslicher Form, insbesondere in monome- rer oder trimerer Form, kovalent quervernetzt werden. Insbesondere kann Bakteriorhodopsin, wie es bei heterologer Expession von Bakteriorhodop- sin gebildet wird, oder Bakteriorhodopsin, wie es durch Solubilisation von Purpurmembranen entsteht (monomerisiertes Bakteriorhodopsin), gemäß dem Verfahren der Erfindung als Substrat einer Glutaminase umgesetzt und kovalent quervernetzt werden.

Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß auch möglich, von Bakteriorho- dopsin verschiedene Membranproteine als Substrat einer Transglutami- nase umzusetzen und dabei kovalent querzuvernetzen, soweit sie in membrangebundener Form vorliegen. Insbesondere können Membran- proteine, die mehrere, insbesondere vier bis acht helikale (vor allem a- helikale) membrandurchspannende Aminosäureabschnitte enthalten, umgesetzt werden. Beispiele für geeignete Membranproteine sind Kanal- proteine, Porter, Rezeptoren, G-Proteine usw.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere verwendet werden, um zwei gleiche oder unterschiedliche Bakteriorhodopsin-Materialien, wie sie oben beschrieben wurden, kovalent zu vernetzen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt, um ein Bakteriorhodopsin-Material kovalent an ein anderes Material zu binden. Bevorzugtes Beispiel hierfür ist die kovalente Bindung von Bakteriorhodopsin-Materialien, insbesondere Bakteriorhodopsin- Materialien in Purpurmembran-Form an eine Oberfläche, an ein Polymer oder/und an eine niedermolekulare Verbindung (hierin auch als Hilfsstoff bezeichnet).

Zur kovalenten Bindung an eine Oberfläche wird das Bakteriorhodopsin beispielsweise als Substrat der Transglutaminase umgesetzt, wobei als zweites Substrat ein Molekül verwendet wird, welches neben der Bin- dungsgruppe für die Transglutaminase eine weitere funktionelle Gruppe,

beispielsweise eine endständige Thiol-Gruppe, aufweist. Das bei der Umsetzung mit Transglutaminase gebildete Addukt kann dann über die eingeführte funktionelle Gruppe an eine Oberfläche immobilisiert werden.

Bei Einbringung einer Thiol-Gruppe kann das Bakteriorhodopsin beispiels- weise kovalent an eine Goldoberfläche immobilisiert werden. Dadurch ist es möglich, eine gerichtete Immobilisierung von Bakteriorhodopsin, insbesondere in der Purpurmembran-Form, zu erreichen, da das Bakte- riorhodopsin nur mit der Seite kovalent an die Oberfläche gebunden werden kann, auf der die Thiol-Gruppe eingeführt worden ist.

Daneben ist es auch möglich, Bakteriorhodopsin direkt an Oberflächen mittels Transglutaminase kovalent zu binden, soweit die Oberfläche Gruppen aufweist, die als Substrat der Transglutaminase wirken können.

Weiterhin ist es mit den erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Bakte- riorhodopsin an ein Polymer kovalent zu binden. Dabei wird ein Oligomer oder Polymer, welches natürlichen oder synthetischen Ursprungs sein kann, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Bakteriorhodopsin verknüpft. Ein Beispiel für ein natürliches Polymer ist Gelatine, ein Bei- spiel für ein bevorzugtes synthetisches Polymer ist Polyvinylalkohol.

Voraussetzung für eine erfolgreiche Umsetzung ist, dass das Oligomer bzw. Polymer eine Seitengruppe enthält, die ein Substrat der Trans- glutaminase ist, also einen Glutamin (Gln)- oder einen Lysin (Lys)-Rest enthält oder ein Glutamin-Analogon oder ein Lysin-Analogon enthält oder einen Glutamin-Teilbereich oder einen Lysin-Teilbereich enthält, der von Transglutaminase als Substrat erkannt wird, insbesondere einen Teilbe- reich, der mindestens drei C-Atome und eine Aminogruppe umfasst.

Eine entsprechende Gruppe kann in dem Polymer bereits vorhanden sein, wie etwa in Gelatine, oder sie kann chemisch eingeführt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man ein Material, in dem Bakteriorhodopsin, insbesondere in der Purpurmembran-Form, an ein Polymer in stöchiometrischer Weise kovalent gekoppelt vorliegt. Bei der Verarbeitung eines Materials erhält man dadurch erhebliche Vorteile.

Insbesondere kann keine Entmischung auftreten, wie sie bei lediglich physikalisch vermischten Polymeren, die an sich ineinander nicht löslich sind, häufig auftritt. Weiterhin eröffnet sich die Möglichkeit, die Ver- arbeitung von Bakteriorhodopsin enthaltenden Materialien in organischen Lösungsmitteln durchzuführen, wenn das Bakteriorhodopsin an ein Oligomer/Polymer gebunden wird, das sowohl in Wasser oder einem Puffer (für die enzymatische Quervernetzung) als auch in organischen Lösungsmitteln möglich ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Bakteriorhodop- sin mit einem Oligomeren/Polymeren quervernetzt, welches seinerseits noch weitere Polymerisierungsreaktionen oder Quervernetzungsreaktio- nen eingehen kann. Solche weiteren Quervernetzungs-bzw. Polymerisa- tionsreaktionen können z. B. mit UV-Licht oder durch einen radikalischen Starter initiiert werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, Bulk-Materia- lien herzustellen, die ein homogen verteiltes Bakteriorhodopsin enthalten.

Solche Materialien können vorteilhafterweise zur Herstellung von Bakte- riorhodopsin-Würfeln verwendet werden, wie sie für eine dreidimensio- nale Datenspeicherung eingesetzt werden können. Soiche Materialien werden bisher durch Zumischung von Bakteriorhodopsin bei der Polymeri- sation von beispielsweise auf Acrylsäure oder Acrylamid basierende Poly- meren in wässrigen Lösungsmitteln hergestellt, wobei keine kovalente Quervernetzung zwischen dem Bakteriorhodopsin und dem Poiymer ausgebildet wird. Bei der Entfernung des Wassers kommt es häufig zu hohem Schwund. Darüber hinaus werden bei solchen Materialien des Standes der Technik Entmischungsphänomene beobachtet, die zu einer inhomogenen Verteilung des Bakteriorhodopsins in dem Material führen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Bakteriorhodop- sin-Material an eine niedermolekulare Verbindung kovalent gebunden. Die niedermolekulare Verbindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Substrat der Transglutaminase ist, also insbesondere ein Glutamin- Analogon oder ein Lysin-Analogon. Die niedermolekulare Verbindung, die hierin auch Hilfsstoff genannt wird, kann ausgewähit werden aus der Gruppe bestehend aus Farbstoffen, Fluorochromen, Lipiden, Peptiden, oligomeren und polymeren Nukleinsäuren, wie etwa DNA/RNA/PNA usw., synthetischen Oligomeren und Polymeren, Proteinen (Avidin-Biotin etc.), Lektinen, Polysacchariden, leitfähigen Polymeren und anderen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine gezielte, stöchiometriche, ortsselektive Ankopplung der Verbindungen an das Bakteriorhodopsin, insbesondere an Bakteriorhodopsin in Purpurmembran-Form, möglich.

Farbstoffe und Fluorochrome werden insbesondere kovalent angekoppelt, um eine Änderung des Anfangsfarbzustandes des Bakteriorhodopsins bzw. der Purpurmembran zu erzielen. Vorteilhaft ist dabei, dass keine Entmischung zwischen Bakteriorhodopsin und Farbstoff bzw. Fluoro- chrom auftritt und dass die Verarbeitung nicht durch unterschiedliche Löslichkeiten der Materialien nachteilig beeinflusst wird.

Lipide können kovalent angekoppelt werden, um eine Verankerung von Bakteriorhodopsin, insbesondere in Membranform, auf einer anderen Lipidmembran zu erhalten, wobei die weitere Membran bevorzugt eben- falls eine Purpurmembran und besonders bevorzugt ebenfalls eine Bakte- riorhodopsin-Purpurmembran darstellt. Lipidgekoppelte Bakteriorhodopsin- Materialien können weiterhin vorteilhaft in der Langmuir-Blodgett-Technik eingesetzt werden.

Durch die Kopplung von Bakteriorhodopsin mit Peptiden können immuno- logische Tags eingebracht werden und Materialien mit selektiver, hoch-

affiner Bindefähigkeit (z. B. Antigen-Antikörper-Wechselwirkung) erhalten werden.

Durch die Kopplung von Bakteriorhodopsin mit Oligomeren, insbesondere oligomeren oder polymeren Nukleinsäuren, wie etwa DNA, RNA, PNA usw., ist der Aufbau dreidimensionaler gerichteter Strukturen möglich.

Durch die kovalente Kopplung von Bakteriorhodopsin mit synthetischen Oligomeren bzw. Polymeren können quervernetzte Materialien erhalten werden, die gegen Entmischung stabil sind.

Durch die kovalente Kopplung von Proteinen, wie etwa Avidin, Biotin oder ähnlichen, die insbesondere ein Partner eines selektiven, hoch- affinen Bindungspaares sind, können Materialien mit hoher Komplexbil- dungskonstante erhalten werden.

Als leitfähige Materialien werden bevorzugt Protonen-leitfähige Materia- lien, wie etwa Protonen-leitfähige Polymere, oder Membranen mit dem Bakteriorhodopsin gekoppelt.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein linkerfrei kovalent vernetztes Bakteriorhodopsin, welches durch die oben beschrie- benen Vorgehensweisen erhalten werden kann. Ein solches Material, welches ausschließlich aus Bakteriorhodopsin oder aus Bakteriorhodopsin und daran kovalent gebundenen weiteren Materialien bzw. Stoffen aufgebaut sein kann, weist gegenüber bekannten Bakteriorhodopsin- Materialien strukturelle Unterschiede auf, die erhebliche Vorteile liefern.

Bei der erfindungsgemäßen direkten Kopplung wird kein Linker zwischen- geschaltet, so dass auch in dem erhaltenen Material die Bakteriorhodop- sin-Materialien direkt gebunden und nicht über Linker vernetzt sind.

Dadurch können die mit der Verwendung von Linkern verbundenen Nachteile, wie sie oben beschrieben wurden, ausgeschaltet werden. Bei

der Kopplung von Bakteriorhodopsin an andere Materialien wird durch die kovalenten Bindungen im Gegensatz zu im Stand der Technik bekannten physikalischen Mischungen zudem erreicht, dass stabile, homogene Werkstoffe erhalten werden können. Solche Werkstoffe sind insbeson- dere zur Verwendung in der Datenspeicherung geeignet. Durch die gerichtete Anordnung von mehreren Schichten von BR-Purpurmembranen mit einer hohen Vorzugsorientierung können Materialien erhalten werden, die bei photoelektrischen Anwendungen, wie sie z. B. bei F. Hong, Progress in Surface Science 62 (1999), 1-237, beschrieben werden, ein verbessertes Verhalten zeigen. Solche Materialien erzeugen höhere Spannungen bei Belichtung als bekannte, weniger gut ausgerichtete BR- Materialien und können insbesondere als Schalter oder als Steuerele- mente eingesetzt werden.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele und die Figuren weiter erläutert, wobei Fig. 1 eine schematische Darstellung der Ergebnisse einer Zuckerdichte-Gradientenzentrifugation ist. Fig. 1 A zeigt Bakte- riorhodopsinWildtyp (BR-WT), Fig. 1 B die Bakteriorhodopsin-Variante BR- D2N und Fig. 1 C miteinander quervernetztes BR-WT und BR-D2N nach 24 Stunden Inkubation mit BTGase (bakterielle Transglutaminase).

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von SDS-PAGE. A) BR-WT ; B) BR-WT + BTGase, 0 Stunden inkubiert bei 37°C ; C) BR-WT + BTGase, 10 Minuten inkubiert bei 37°C ; D) BR-WT + BTGase, 20 Minuten inkubiert bei 37°C ; E) BR-WT + BTGase, 120 Minuten inkubiert bei 37°C.

Fig. 3 zeigt die Ausbildung von Vernetzungsprodukten von BR-WT und BR-D2N in Gegenwart von bakterieller Transglutaminase in Abhängigkeit der Zeit.

Fig. 4 zeigt die Sequenz von Bakteriorhodopsin mit der transmembranen Anordnung, modifiziert nach R. R. Birge, Photophysics and Molecular Electronic Applications of the Rhodopsins, Annu. Rev. Phys. Chem. 41 (1990), 683-733.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für eine gerichtete Abscheidung von Bakte- riorhodopsin in Membranform auf Oberflächen. Auf einem Wafer 1 ist eine Gold enthaltende Schicht 2 aufgebracht. Diese Oberfläche wird mit in einem Lösungsmittel suspendierten Bakteriorhodopsin-Purpurmemb- ranen 3 in Kontakt gebracht, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Thiol-modifiziert wurden. Es findet eine Selbstorganisation 4 der Purpur- membranen in gerichteter Weise auf der Goldoberfläche statt. Purpur- membranen mit falscher Orientierung 5 werden nicht an die Oberfläche gebunden.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine dreidimensionale Strukturierung von Bakteriorhodopsin-Purpurmembranen. Auf eine Oberfläche oder ein Substrat 6 wird eine Haftschicht 7, z. B. Nukleinsäure-Oligomere, aufge- bracht. Die Purpurmembranen 8 werden mit funktionellen Gruppen derart modifiziert, dass die auf der einen Seite der Purpurmembran-Form ange- brachten funktionellen Gruppen jeweils mit den auf der anderen Seite einer weiteren Purpurmembran aufgebrachten funktionellen Gruppen wechselwirken können. Beispielsweise wird die Purpurmembran mit Nukleinsäure-Oligomeren derart modifiziert, dass die Oligomere auf beiden Seiten miteinander hybridisieren können, also die Purpurmembran- extrazellulär mit der Purpurmembran-zytoplasmatisch hybridisieren kann.

Auf diese Weise erfolgt eine gerichtete Bindung 9 von Purpurmembranen an Substrat und eine gerichtete Selbstorganisation der Purpurmembranen in die dritte Dimension. Auf diese Weise kann eine stark orientierte, anisotrope Schichtstruktur erhalten werden. Die von den einzelnen Purpurmembran-Formen erzeugten Photospannungen kompensieren sich jetzt nicht mehr, wie es bei einer wilikürlichen Anordnung der Fall ist,

sondern addieren sich. Auf diese Weise können Elemente mit einer einstelibaren Photospannung erhalten werden, welche theoretisch etwa 300 mV x Anzahl der Schichten beträgt.

Fig. 7 zeigt Purpurmembranen (gestrichelt dargestellt) mit eingebetteten Bakteriorhodopsin-Aminosäuresäulen (schematisch als durchgezogene Kästchen dargestellt). Lysin (Lys) und Glutamin (Gln), die von Trans- glutaminase (TGA) akzeptiert werden, sind als ausgefüllte Kreise (Lys) bzw. ausgefüllte Quadrate (Gln) eingezeichnet.

Bei Bakteriorhodopsin-Wildtyp liegen die Bindungsstellen, die für Trans- glutaminase zugänglich sind, nämlich Gln3 und K129, auf der gleichen Seite der Membran (Fig. 7A). In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Bakteriorhodopsin-Variante verwendet, die je eine Bindungsstelle auf der Innen-und eine auf der Außenseite der Membran, d. h. eine Bindungs- stelle auf der zytoplasmatischen Membranseite und eine Bindungsstelle auf der extrazelluiären Membranseite aufweist. Eine solche Variante wird bevorzugt dadurch erhalten, dass das Lys129 unverändert gelassen wird und das Gin3 deletiert wird und stattdessen ein Gln in einer Schleife auf der anderen Seite der Membran eingebracht wird (Fig. 7B). In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Bakteriorhodopsin- Variante verwendet, welche genau eine Bindungsstelle (innen oder außen) aufweist, welche beispielsweise durch Entfernen der anderen möglichen Bindungsstellen erhalten werden kann (Fig. 7C).

Beispiele : Beispiel 1) 5 ml einer 42,5%- und 37,5%-Zuckerlösung werden verwendet, um mit einem herkömmlichen Gradientenmischer einen linearen Zuckergradienten zu erzeugen. Dieser Gradient dient zur Analyse von vernetztem und unvernetztem Bakteriorhodopsin.

Beispiel 2) Eine Bakteriorhodopsin-Wildtype- (WT)-Lösung (20 mg/ml) und eine Lösung der Bakteriorhodopsin-Variante BR-DZN (20 mg/ml) werden mit Puffer (pH 7,0,100 mM, Phosphatpuffer) und BTGase- (9,3 U/ml)-Lösung gemischt, so das die BTGase im Vergleich zu Bakteriorhodopsin im vierfa- chen Überschuss vorliegt. Die Inkubation erfolgt für 24 h bei 40°C. In der Reaktionsmischung liegt dann praktisch nur noch quervernetztes Bakteriorhodopsin vor (Abb. 1 c).

Beispiel 3) Reaktionsansatz wie bei 2). Die Reaktion wird allerdings zu einem beliebi- gen Zeitpunkt durch kurzfristiges Erwärmen auf 80°C gestoppt. In der Reaktionsmischung liegt dann quervernetztes und nicht quervernetztes Bakteriorhodopsin vor. Durch die Wahl des Stoppzeitpunktes können beliebige Verhältnisse zwischen vernetztem und unvernetztem Bakte- riorhodopsin eingestellt werden (Abb. 2 und 3). Je höher der Vernet- zungsgrad ist, desto starrer wird das quervernetzte Bakteriorhodopsin.

Die rote Bande in Abb. 3 stellt BR-WT dar, die blaue Bande BR-D2N.

Durch Quervernetzung wird das lilafarbige Vernetzungsprodukt BR-WTx- BR-D2Ny erhalten.

Beispiel 4) Eine Gelatinelösung (Schweineschwartengelatine), 10% (w/v) wird mit dem gleichen Volumen einer BR-Lösung (PM-Konzentration 39,1 mg/ml) und mit BTGase Lösung (12 U/ml) versetzt, so dass die Menge der BTGase mit der Menge des BR's vergleichbar ist. Die Reaktionslösung wird dann bei 37°C über Nacht inkubiert. In der Reaktionsmischung liegt das BR dann in Gelatine gebunden vor.