Die Erfindung betrifft Zubereitungen von Bakteriorhodopsin- Varianten mit erhöhter Speicherzeit und deren Verwendung für die reversible optische Infor ationsaufZeichnung.

Das Retinalprotein Bakteriorhodopsin ist ein biologisches Photochrom, das sich durch seine hohe thermische, chemische und photochemische Stabilität und seine hohe Lichtsensitivi- tät auszeichnet: 'P. Kouya a, K. Kinositu und A. Ikegami: Structure and Function of Bacteriorhodopsin, Adv. Biophys. 24 (1988), S. 123-175'. In Anwendungen wird dieses Retinal¬ protein bevorzugt in Form einer Purpurmembran eingesetzt. Purpurmembranen sind aus einer dichten, zwei-dimensionalen, meist kristallinen Anordnung des Bakteriorhodopsins aufge¬ baut, die in eine Lipiddoppelschicht eingelagert ist. Diese Form weist eine besonders hohe Stabilität auf; herausgelö¬ stes Bakteriorhodopsin ist ungleich instabiler.

Wegen seiner photochromen Eigenschaft kann dieses Retinal¬ protein zur optischen Informationsaufzeichnung verwendet werden. Unter Lichteinwirkung wird eine Konfigurations¬ änderung des Retinalrests induziert. Diese Konfigurations- änderung ist sowohl thermisch wie auch photochemisch rever¬ sibel. Sie verläuft beim Wildtyp BR von all-trans im Aus- gangszustand nach 13-cis im langlebigsten Intermediat. Damit

einher geht eine reversible Änderung des Protonierungs- zustands der Schiff asenbindung, mit der der Retinalrest an das Protein gekoppelt ist.

Bei der optischen Informationsaufzeichnung unterscheidet man generell zwischen der Kurzzeitspeicherung, die in der Daten¬ verarbeitung benötigt wird, und der Langzeitspeicherung, wie sie für die Informationsspeicherung erforderlich ist.

Die Vorteile von Purpurmembranen für diese Anwendungen lie¬ gen in der hohen erzielbaren Auflösung, da die Strukturgröße der aktiven Elemente, d.h. der Bakteriorhodopsinmoleküle, in der Größenordnung von wenigen nm liegt, in der hohen Licht¬ echtheit des Materials und in der ausgezeichneten Lagersta- bilität.

Eine Übersicht über mögliche technische Anwendungen von Pur¬ purmembranen ist in 'D. Oesterhelt, C. Bräuchle, N. Hampp: Bakteriorhodopsin: A Biological Material for Information Processing. Quaterly Reviews of Biophysics, 2A _. (1991) , S. 425-478' zu finden. In diesem Artikel sind auch Zubereitun¬ gen, insbesondere Filme für die Holographie, beschrieben, bei denen transiente Aufzeichnungen optisch eingeschriebener Information im Vordergrund steht.

Neben diesen zum Gebiet der Informationsverarbeitung zäh¬ lenden Anwendungen als Kurzzeitspeicher besteht auch Inte¬ resse, optische Information über längere Zeit zu speichern. Insbesondere Medien, die mit Licht einer ersten Wellenlänge λl beschreibbar und mit Licht einer zweiten Wellenlänge \ 2 löschbar sind, sind dabei von Interesse. Diese Reaktionen können formal durch ein Reaktionssche a E-(λl) -P-(λ2) -E beschrieben werden, wobei E der Anfangs- bzw. Ausgangs- zustand (Edukt) des Materials ist und P ein langlebiges

Photoprodukt von E, den sogenannten Speicherzustand, dar¬ stellt, der selbst ebenfalls photochemisch aktiv ist.

Als Speicherzeit sei die Zeitspanne definiert, innerhalb de¬ rer 36,8 % (1/e) des Photoproduktes ohne Lichteinwirkung, also z.B. thermisch, in einen anderen Zustand, z.B. den Aus¬ gangszustand, relaxieren. Die Speicherzeit eines Mediums ist proportional der Lebensdauer des Zustandes, der zur Informa- tionsspeicherung dient.

Die Speicherzeit kann bestimmt werden durch Messung der zeitabhängigen Absorptionsänderung im Maximum der Absorp- tionsbande des Ausgangszustandes oder des Speicherzustands.

Wird der Absorptionszustand eines Speichermediums zur Codie¬ rung von Information verwendet, so ist das erzielbare Kon¬ trastverhältnis, welches wiederum wellenlängenabhängig ist, maßgeblich für das Signal/Rausch-Verhältnis. Als Kontrast- verhältnis wird der Quotient der Absorption eines photochro- en Materials vor und nach der Belichtung bezeichnet. Das maximale Kontrastverhältnis ist bei der Wellenlänge erreich¬ bar, bei der das Differenzspektrum des unbelichteten und des belichteten Materials ein Maximum hat. Das Kontrastverhält¬ nis wird .dort nur durch die maximal erzielbare Umsetzung des Edukts in das Photoprodukt begrenzt.

Von großer Bedeutung für technische Anwendungen ist die Zahl der möglichen Schreib-/Löschzyklen, d.h. wie oft das Mate- rial mit Licht zwischen den Zuständen E und P hin- und her¬ geschalten werden kann. Diese Zahl sollte möglichst groß sein.

Ein generelles Problem bei der Verwendung photochromer Mate¬ rialien zur reversiblen InformationsaufZeichnung ist, daß ein Auslesen bzw. Abtasten der gespeicherten Information mit

Lichtwellenlängen im Bereich der Absorption des Ausgangs- bzw. Speicherzustands zu einer Veränderung der Information führt und damit zu einer Verminderung des Signal/Rausch-Ver- hältnisses. Bei digitaler Information (schwarz-weiß) kann dies durch ein Auffrischen der Information (= 'Refresh') nach dem Lesen kompensiert werden. Bei analoger Signalauf¬ zeichnung ist dies praktisch nicht möglich. Aus diesem Grund finden photochrome Materialien für die reversible Aufzeich¬ nung analoger Signale (GrauwertaufZeichnung) praktisch kaum Verwendung.

Der Photozyklus des Wildtyp Bakteriorhodopsin (BR^T) i ^st be¬ kannt. Das langlebigste Intermediat dieses Photozyklusses wird als M-Zustand bezeichnet. Vom Ausgangszustand von BR^i _// der als B-Zustand bezeichnet wird und der ein Absorptionsma- xi um von ca. 570 n hat, unterscheidet sich das Absorp¬ tionsmaximum des M-Zustands um 160 nm. Es liegt bei 410 nm. Bestrahlt man den B-Zustand mit Licht einer Wellenlänge im Bereich seiner Absorptionsbande, z.B. mit der Wellenlänge 570 nm + 60 nm, so wird eine photochemische Reaktion hoher Quantenausbeute (durchschnittlich > _. 64 %) gestartet, die innerhalb von 50 μs zur Population des M-Zustandes führt. In einer wässrigen Suspension von BR^T Purpurmembran weist der M-Zustand eine Lebensdauer von ca. 10 ms auf. Der M-Zustand kann mit Licht einer Wellenlänge im Bereich seiner Absorp¬ tionsbande, z.B. der Wellenlänge 410 nm, in den Ausgangszu¬ stand zurückgeschaltet werden. In dieser Form ist die BRWT Purpurmembran als Informationsspeicher ungeeignet. Um BR^T als Informationsspeicher einsetzen zu können, muß der M- Zustand eine möglichst hohe Lebensdauer haben.

Es sind zwei Möglichkeiten bekannt, die Lebensdauer des M- Zustands zu erhöhen:

1. Tiefe Temperaturen: Bei Temperaturen < -50°C kann der M- Zustand "eingefroren" werden, d.h. seine thermische Relaxa¬ tion wird unterbunden 'S.P. Balashov, F. Litvin, Photoche- mical Conversions of Bacteriorhodopsin, Biophys. J. 26.

(1981) , S. 566-581'. Die Möglichkeit, bei diesen Tempe¬ raturen photochemisch mit blauem Licht, z.B. 410 nm, in den Grundzustand zurückzuschicken, bleibt erhalten.

2. Dehydratisierung: Durch Entzug von Wasser aus BR _WT -Zube- reitungen kann die Lebensdauer des M-Zustandes bis ca. 150 sec. verlängert werden 'R. Korenstein, B. Hess, Hydration Effects of cis-trans Isomerization of Bacteriorhodopsin, FEBS Lett. 8_2 (1977) , S. 7-11', 'Z. Chen, A. Lewis, H. Takei, I. Nebenzahl, Application of Bacteriorhodopsin Oriented in Polyvinyl Alcohol Films as an Erasable Optical Storage Medium, Appl. Opt. 3_0 (1991) , S. 188-196', 'T.V. Dyukova, N.N. Vsevolodov, L.N. Chekulaeva, Change in the Photochemical Activity of Bacteriorhodopsin in Polymer Matrices on its Dehydration, Biophysics 3_0 (1985) , 668- 672' .

Die Verwendung von Purpurmembranen, enthaltend BR _WT bei tiefen Temperaturen, hat unter anderem folgende Nachteile:

Bei der Anwendung ist eine permanente Kühlung erforderlich. - Es muß in speziellen Apparaturen gearbeitet werden, die die Kondensation von Luftfeuchtigkeit auf dem Speichermedium ausschließen. Es besteht die Möglichkeit eines Datenver¬ lustes durch Ausfall der elektrischen Versorgung für die Kühlung oder durch andere technische Defekte. Diese Nachtei¬ le sind für eine technische Anwendung nicht akzeptabel und die Verwendung von BR^T i ^Ξt daher technisch bedeutungslos.

Das gleiche gilt für die Verlängerung der M-Lebensdauer durch Dehydratisierung. Sie hat unter anderem den Nachteil, daß die erzielbaren Speicherzeiten im Minutenbereich um Grö¬ ßenordnungen unterhalb den technisch notwendigen Speicher¬ zeiten im Bereich von einem Tag bis zu 10 Jahren liegen.

Weiter ist bekannt, daß Purpurmembranen, die BR^T enthalten, bei pH-Werten kleiner 3 in eine blaue Form umgewandelt wer¬ den. Diese werden als 'blue membrane' bezeichnet (K. Ki ura, A. Ikegami, W. Stoeckenius, Salt and pH-dependent Changes of the Purple Membrane Absorption Spectrum, Photochem. Photobiol. 4_0 (1984) , S. 461-464) . Diese Form erhält man auch, wenn der Purpurmembran-Suspension Ionen, insbesondere zweiwertige Kationen (z.B. Ca ²⁺ , Mg ²⁺ ) entzogen werden (C- H. Chang, S.Y. Liu, R. Jonas, R. Godvinjee, The Pink Membrane: The Stable Photoproduct of Deionized Purple Membrane, Biophys. J. 52 _. (1987) , S. 617-623) . Diese Form ist photochemisch aktiv und in eine rosa Form, die sogenannte 'pink membrane', umwandelbar (S.Y. Liu, T.g. Ebrey, The Quantum Efficiency for the Interconversion of the Blue and Pink Forms of Purple Membrane, Photochem. Photobiol. 4_6 (1987) , S. 263-267) . Diese rosa Form ist ebenfalls photo- chemisch aktiv und kann mit Licht in die blaue Form zurück¬ geführt werden. Diese blauen Membranen sind technisch nicht verwertbar, da sie eine viel zu geringe photochemische Stabilität aufweisen und schon bei geringen Bestrahlungen irreversibel gebleicht werden (K. Tsuji, K. Rosenheck, The Low pH-species of Bacteriorhodopsin, FEBS Lett. £8 (1979) , S. 368-372) . Die Reversibilität dieser blauen Membranen ist erheblich kleiner als 500 Schreib-/Löschzyklen.

Bekannt ist weiter eine Bakteriorhodopsin-Variante, die ein Photoprodukt aufweist, welches bei Raumtemperatur stabiler ist, als das von BR^T-

Bei dieser Bakteriorhodopsin-Variante ist die Aminosäure Asp an Position 96 gegen Asn ausgetauscht. Die Retinalkonfigura- tion von Ausgangszustand und langlebigstem Zwischenprodukt entspricht der jeweiligen Konfiguration des Wildtyps. Bei der Purpurmembran-Variante, enthaltend diese Bakteriorhodop¬ sin-Variante, ist die Lebensdauer des langlebigsten Photo¬ produkts vom äußeren pH abhängig. Sie kann durch den äußeren pH eingestellt werden und verlängert sich bei alkalischen pH-Werten. Es wurden Lebenszeiten für das langlebigste Photoprodukt von bis zu 163 s bei einem pH-Wert von 9 er¬ reicht (A. Miller, D. Oesterhelt, Biochim. Biophys. Acta 1020 (1990) S. 57-64; Kinetic optimization of bacterio¬ rhodopsin by aspartic acid 96 aε an internal proton donor) . Eine Verwendung stärker alkalischer pH-Werte (13-14) ist nicht möglich, da dadurch die Stabilität des Proteins und damit die mögliche Einsatzdauer eines daraus hergestellten Aufzeichnungs ediums drastisch sinkt.

Durch Austausch des Retinalchromophors gewonnene Abarten der Wildtypform von Bakteriorhodopsin sind technisch nur von geringer Bedeutung, da sie nur durch Herstellung und Reini¬ gung Chro ophor-freier Purpurmembran ( 'Apomembran') und an¬ schließender Zugabe des synthetischen Retinalanalogens her¬ gestellt werden können. Diese Schritte sind kostenaufwendig. Außerdem werden im allgemeinen Purpurmembranen erhalten, bei denen nicht alle Bakterio-opsin-Moleküle mit Retinalanalogen besetzt sind.

Aufgabe der Erfindung war es, Zubereitungen von Purpurmem¬ bran-Varianten mit vorteilhaften Eigenschaften, vor allem mit einer im Vergleich zu bekannten Purpurmembran-Varianten verlängerten Lebensdauer eines Photoproduktes bei Raumtem¬ peratur, anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch Zubereitungen, enthaltend min¬ destens eine Purpurmembran-Variante, bei der bei Raumtempe¬ ratur eine Bakteriorhodopsin-Variante durch Bestrahlen mit Licht einer Wellenlänge im Bereich der Absorbtionsbande des Ausgangszustandes zu mehr als 50 % in ein Photoprodukt mit einem gegenüber dem Ausgangszustand um mindestens 10 nm spektral verschobenen Absorptionsmaximum übergeführt wird, wobei das Photoprodukt durch Bestrahlen mit Licht einer Wel¬ lenlänge im Bereich seiner Absorptionsbande in den Ausgangs¬ zustand zurückkonvertiert werden kann, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Konfiguration des Retinais des Photoproduktes gegen¬ über der Konfiguration des Retinals des Ausgangszustands verändert und nicht 13-cis ist und/oder die Schiffbasenbindung des Retinals hydroly- siert ist, und/oder das Photoprodukt eine Speicherzeit von mehr als einem Tag aufweist, und/oder das Photoprodukt mindestens 10 ⁴ Schreib/Lösch¬ zyklen unter Erhalt von mindestens 50 % des ursprüng¬ lichen Kontrastverhältnisses erlaubt, und der pH-Wert der Zubereitung zwischen 3 und 11 liegt, und der Wassergehalt der Zubereitung zwischen 1 und 30 Gew. %, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zubereitung, liegt, und Hilfsstoffe zur Modulation der Protonenbeweglichkeit in einer Konzentration zwischen 1 und 80 Gew.-%, bezogen auf die Menge eingesetzter Purpurmembranzubereitung, so¬ wie gegebenenfalls

Matrixmaterialien in einer Konzentration von bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zubereitung, vorhanden sind.

Purpurmembran-Varianten sind Purpurmembranen, die eine oder mehrere Bakteriorhodopsin-Varianten enthalten.

Als Bakteriorhodopsin-Varianten werden Bakteriorhodopsine bezeichnet, die sich vom Wildtyp-Bakteriorhodopsin unter¬ scheiden durch den Austausch und/oder die Insertion und/oder Deletion einer oder mehrerer Aminosäuren und/oder den Ersatz des Retinalchromophors durch ein retinalanaloges Pigment.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zubereitungen sind Purpurmembran-Varianten geeignet, die bei Bestrahlung mit Licht ein Photoprodukt bilden, welches eine Retinalkonfigu- ration verschieden von 13-cis, bevorzugt 9-cis, besitzt. Weiter geeignet sind Purpurmembran-Varianten, die bei Bestrahlung mit Licht ein Photoprodukt bilden, welches ein freies Retinalmolekül in der Bindungsstelle des Proteins enthält.

Geeignete Purpurmembran-Varianten können beispielsweise her¬ gestellt werden mit Verfahren, die von D. Oesterhelt, G. Krippahl, Ann. Microbiol. (Inst. Pasteur) 134B (1983) , S. 137-150; Phototrophic Growth of Halobacteria and Its Use for Isolation of Photosynthetically-Deficient Mutants oder J. Soppa, D. Oesterhelt, J. Biol. Chem. 264 (1989) , S. 13043- 13048; Bacteriorhodopsin Mutants of Halobacterium spec. GRB. 1. The 5-Bromo-2 '-Desoxyuridine-Selection as a Method to Isolate Point Mutants in Halobacteria. oder J. Soppa, D. Oesterhelt, Biol. Chem. Hoppe-Ξeyler 368 (1987) , S. 1116; Isolation and Characterization of Bacteriorhodopsin Mu¬ tants of Halobacterium GRB oder B.F.Ni, M. Chang, A. Duschl, J. Lanyi, R. Needleman; An Efficient System for the Synthesis of Bacteriorhodopsin in Halobacterium halobium, Gene 9_0 (1990) , S. 169-172, angegeben wurden.

Diese Purpurmembran-Varianten können mit bekannten Verfahren isoliert und gereinigt werden. Solche sind beispielsweise bei S. Neuman, H. Leigeber, Verfahren zur Herstellung von Purpurmembran enthaltend Bakteriorhodopsin, DE 3922133, an¬ gemeldet am 5. Juli 1989, entspricht US 5079149, erteilt am 7. Januar 1992, beschrieben.

Geeignet zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zubereitung sind beispielsweise Purpurmembran-Varianten, bei denen die Konfiguration des Retinalchromophors des Photoprodukts 7- cis, 11-cis oder 9-cis ist, wobei solche mit der Konfigura¬ tion 9-cis bevorzugt sind.

Besonders bevorzugt geeignet zur Herstellung der erfindungs- gemäßen Zubereitung sind Purpurmembran-Varianten, die die Bakteriorhodopsin-Variante BR^gs 96N enthalten.

Diese Purpurmembran-Variante ist beispielsweise nach den be¬ reits genannten Verfahren aus dem Halobacteriu -Sta m L33, welcher mit dem Vektor p319/D85,96N transformiert wurde, er¬ hältlich. L33 (DSM 5735) wurde gemäß dem Budapester Vertrag bei der DSM Deutschen Sammlung für Mikroorganismen am 3. Januar 1990 hinterlegt. p319/D85,96N (DSM 6225) wurde gemäß dem Budapester Vertrag bei der DSM Deutschen Sammlung für Mikroorganismen am 31. Januar 1990 hinterlegt. Ein Verfahren zur Herstellung dieses und weiterer geeigneter Stämme wird in der Deutschen Patentanmeldung P 40 37 342.8, angemeldet am 23. November 1990, beschrieben.

Eine geeignete Purpurmembran-Variante wird mittels eines Puffers auf einen pH-Wert von 3 bis 11, bevorzugt auf einen pH-Wert von 4 bis 6, eingestellt. Es werden 1 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 5-20 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht der Purpurmembran-Variante, Hilfsstoffe zur Modulation der Pro¬ tonenbeweglichkeit zugesetzt. Hilfsstoffe zur Modulation der

Protonenbeweglichkeit sind beispielsweise eine oder mehrere Substanzen, ausgewählt aus der Gruppe Glycerin, Guanidin, Arginin, Harnstoff, Diethylamin, Azide, Cyanate, Mono-, Di-, Polysaccharide, mono- oder polyfunktionelle Alkohole. Bevor¬ zugt werden Glycerin, Arginin und/oder Diethylamin verwen¬ det. Besonders bevorzugt geeignet ist Glycerin.

Wenn für die jeweilige Anwendung der Zubereitung erforder¬ lich, können noch bis zu 10 Gew.-% Matrixmaterialien zuge¬ setzt werden. Als Matrixmaterialien können Polyacrylamid, Gelatine, Agarose, Agar, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinyl- alkohol, Polyvinylacetat, Polyhydroxymethacrylat, Polyacry- lat oder Mischungen aus diesen Substanzen eingesetzt werden. Der so erhaltenen Suspension wird das Wasser bis auf einen Restgehalt von 1 bis 30 %, bevorzugt bis auf einen Rest- gehalt von 5 bis 20 %, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zubereitung, entzogen.

Der Wasserentzug aus den Purpurmembran-Suspensionen kann durch Sedimentation in Zentrifugen, Trocknen oder wiederhol¬ te Dialyse gegen das gewünschte Lösungsmittel erreicht wer¬ den. Gegebenenfalls können mehrere dieser Methoden kombi¬ niert werden.

Diese Zubereitungen von Purpurmembranvarianten besitzen bei Raumtemperatur ein thermisch stabiles Photoprodukt, das eine Speicherzeit von mehr als einem Tag besitzt.

Die Zubereitungen ermöglichen zudem mindestens 10 ⁴ Schreib- /Löschzyklen unter Erhalt von mindestens 50 % des ursprüng¬ lichen Kontrastverhältnisses.

Wird eine Purpurmembran-Variante, enthaltend die Bakterio¬ rhodopsin Variante BR1335 96N, eingesetzt, so besitzt die

nach obigen Maßgaben erfindungsgemäß hergestellte Zuberei¬ tung eine Speicherzeit von mindestens einem Monat.

Bei der Verwendung der erfindungsge äßen Zubereitung zur In- formationsspeicherung sind die thermisch stabilen Zustände des erfindungsgemäßen Aufzeichnungsmaterials jeweils sowohl als Ausgangszustand als auch als Speicherzustand geeignet.

Im Sinne der Erfindung sind daher die Zuordnung von Aus¬ gangs- und Speicherzustand zu den thermisch stabilen Zustän¬ den des erfindungsgemäßen AufZeichnungsmaterials austausch¬ bar.

In bevorzugten Ausführungsformen liegen die Absorptions- maxima des Ausgangszustandes und des Photoprodukts der Zube¬ reitungen im E issionsbereich von Festkörper bzw. Halblei¬ terlasern.

Die erfindungsgemäßen Zubereitungen werden bevorzugt in Form von Filmen mit einer optischen Dichte im Abεorptionsmaximum von 0,1 bis 10, bevorzugt 1 bis 3, verwendet.

Soll eine erfindungsgemäße Zubereitung zur Herstellung von purpurmembranhaltigen Filmen verwendet werden, so wird sie unter Schwerkrafteinwirkung auf die Oberfläche eines Sub¬ strates kontrollierter optischer Güte aufgebracht und mit einem zweiten Substrat versiegelt. Für die Herstellung von Filmen, enthaltend immobilisierte Pupur embran, ebenfalls geeignet ist die sogenannte "spin-coating"-Technik.

Die erfindungsgemäßen purpurmembranhaltigen Filme lassen sich beispielsweise in Systemen zur reversiblen Informa¬ tionsaufzeichnung verwenden. Ein solches System zur reversi¬ blen InformationsaufZeichnung mit BR-Filmen besteht aus ei¬ ner erfindungsgemäßen Zubereitung als Aufzeichnungsmaterial,

einer Schreiblichtquelle einer ersten Wellenlänge, einer zweiten Lichtquelle für das Auslesen der gespeicherten Information sowie gegebenenfalls einer Lichtquelle für das Löschen mit einer dritten Wellenlänge.

Die Information wird durch Bestrahlen der Zubereitung mit Licht einer Wellenlänge im Bereich des Absorptionsmaximums des Ausgangszustands eingeschrieben. Die Lichtquelle für das Auslesen der Information weist eine Wellenlänge auf, die innerhalb der Absorptionsbande des Anfangs- oder des Spei- cherzustandes liegt. Mit ihr wird der Absorptionszustand des erfindungsgemäßen Materials bestimmt. Mit diesem Verfahren kann gespeicherte Information nur absorptiv und nicht pha- sensensitiv ausgelesen werden. Das bedeutet, die gespeicher¬ te Information wird beim Auslesen zerstört.

Für die Anwendung der erfindungsgemäßen Zubereitungen ist es wünschenswert, über ein Verfahren zu verfügen, welches das zerstörungsfreie Auslesen der gespeicherten Informationen erlaubt.

Bei einem solchen Verfahren verwendet man zur Aufzeichnung der Information auf den erfindungsgemäßen Zubereitungen und zum Auslesen der Information linear polarisiertes Licht jeweils unterschiedlicher Wellenlänge. Durch bestrahlen mit linear polarisiertem Licht einer Wellenlänge im Bereich des Absorptionsmaximums des Ausgangszustandes wird in der Zube¬ reitung eine photochemische Umwandlung induziert. Daraus resultiert eine anisotrope Absorptionsverteilung in der Zu¬ bereitung. Parallel dazu kommt es auch zu einer anisotropen Verteilung des Brechungsindex.

Das zerstörungsfreie Auslesen der so gespeicherten Informa¬ tion erfolgt derart, daß die Zubereitung mit einem photo-

chemisch nicht aktiven linear polarisierten Detektions- strahl, dessen Polarisationsrichtung weder parallel noch senkrecht zur Polarisationsrichtung des Anregungslichtes ist, durchstrahlt wird. Zum Auslesen ist bevorzugt Licht einer Wellenlänge im Bereich zwischen 360 nm und 3 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 650 nm bis 850 nm, geeignet. Bevorzugt weist der photochemisch nicht aktive linear polarisierte Detektionsstrahl eine um 45° gegen die Polarisationsrichtung des Aufzeichnungslichtes gedrehte Polarisationsrichtung auf. Nach dem Durchtritt durch das AufZeichnungsmaterial hat sich der Polarisationszustand des Detektionsstrahls geändert. Diese Änderung des Polarisa- tionszustandes des Detektionsstrahls wird bestimmt. Dies kann beispielsweise durch die Messung seiner Intensität senkrecht zu seiner ursprünglichen Polarisationsrichtung erfolgen. Diese Messung kann beispielsweise mit einem Linear-Polarisationsfilter erfolgen.

Das Löschen der Information kann durch Bestrahlen mit pola¬ risiertem oder mit unpolarisiertem Licht einer Wellenlänge im Bereich der Absoptionsbande des Speicherzustands erfol¬ gen. Die Dauer der Bestrahlung hängt von den jeweiligen Betriebsparametern wie Wellenlänge und/oder Leistung des Bestrahlungslichtes bzw. von der Materialkonzentration und/oder der Schichtdicke in der Zubereitung ab.

Das beschriebene System/Verfahren kann zur Speicherung digi¬ taler wie auch analoger Information eingesetzt werden. Die Information kann direkt oder holographisch in dem Material gespeichert werden.

Daneben lassen sich die erfindungsgemäßen Zubereitungen auch in allen bekannten Verfahren zur optischen Informations- speicherung einsetzen wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.

Mit den genannten Purpurmembranzubereitungen lassen sich reversible optische Datenträger mit paralleler Ein- und Aus¬ gabe realisieren. Außerdem lassen sich räumliche Lichtmodu¬ latoren für den IR-Bereich mit Polarisationscodierung reali¬ sieren. Rekonfigurierbare optische und/oder holographische Speicher für Anwendungen im Bereich der optischen neuronalen Netze, der assoziativen Speicher und der Mustererkennung sind weitere Anwendungsbeispiele. Eine Verwendung der erfin¬ dungsgemäßen Zubereitungen als rekonfigurierbare Absorber, optische Elemente oder rekonfigurierbare Phasenmodulatoren ist ebenfalls möglich (Technical Digest on Spatial Light Modulators and Applications, Optical Society of America, Washington 1990) .

Die Zubereitungen lassen sich auch in Kombination mit einem transienten Speichermedium oder in Mischungen mit anderen Purpurmembran-Varianten einsetzen.

Durch schichtweise Anordnung von BR-Medien bekannter Art und den hier beschriebenen Langzeitspeichermedien ist es mög¬ lich, (a) durch Schreiben mit verschiedenen Wellenlängen, (b) durch Schreiben mit verschiedenen Intensitäten (bzw. Energien = Intensität x Zeit) Information selektiv (i) aus¬ schließlich in den Kurzzeitspeicher, (ii) sowohl in den Kurzzeit- als auch Langzeitspeicher, (iii) ausschließlich in den Langzeitspeicher zu schreiben. Durch optischen Vergleich der im Kurzzeit- und Langzeitspeicher befindlichen Informa¬ tion können Infor ationsverarbeitungsverfahren bekannter Art auf einfache Weise realisiert werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen erläutert.

Beispiel 1

1.0 ml einer Purpurmembransuspension des Typs BR _D85 g _6N mit einer optischen Dichte von 20 bei 600 nm wurde in eine Mikro-Dialysekammer gefüllt, die mit einer Dialysemembran von 24 Ä Porengröße abgeschlossen ist. Die Purpurmembran¬ suspension wurde gegen eine Mischung aus 80 Gew.-% Glycerin und 20 Gew.-% eines 100 mM Citratpuffers pH 5.0, der 50 mM an NaCl enthält, dialysiert. Die Dialyse wurde 36 h durchge¬ führt, wobei das Puffer-Glycerin-Salz-Gemisch zweimal ausge¬ wechselt wurde. Das erhaltene Material wurde zwischen zwei plangeschliffene Glasplatten gebracht, die durch einen Abstandhalter aus PVC mit einer Dicke von 100 μm getrennt sind.

Der so erhaltene Film von BR^gs 9 _Ö N weist ein Absorptions¬ spektrum des Ausgangszustandes E auf, das sein Absorptions¬ maximum bei 575 nm hat und eine Halbwertsbreite der Absorp¬ tionsbande von 150 nm besitzt.

Durch Bestrahlung mit Licht der Wellenlänge 676 nm bildet sich intensitätsabhängig ein Photoprodukt p mit einem Absorptionsmaximum von 490 nm und einer Halbwertsbreite der Absorptionsbande von 180 nm. Dieses Photoprodukt enthält 9- cis Retinal. Wurde die Bestrahlung in einer Intensität von 140 mW/cm ² über einen Zeitraum von 10 min. durchgeführt, wurde diese Umsetzung zu mehr als 90 % erreicht. Die Spei¬ cherzeit dieser Purpurmembranzubereitung beträgt bei Raum¬ temperatur erheblich mehr als 30 Wochen. Nach 8 Monaten wa¬ ren weniger als 20 % des Photoprodukts P zerfallen. Durch 10 minütiges Bestrahlen des Photoprodukres P mit Licht einer Wellenlänge von 532 nm mit einer Intensität von 140 mW/cm ² wurde der Ausgangszustand wiederhergestellt.

Eine mit linear polarisierre Licht einer Wellenlänge von 676 nm eingeschriebene Information, z.B. ein eingeschriebe¬ nes Punktmuster (siehe Fig.l) , konnte selektiv oder gesamt mittels linear polarisiertem Licht der Wellenlänge 799 nm ausgelesen werden, dessen Polarisation 45° gegenüber der bei der Aufzeichnung verwendeten Polarisationsrichtung gedreht war. Dazu wurde die Purpurmembranzubereitung mit dem Licht der Wellenlänge 799 nm durchstrahlt. Hinter der Purpurmem¬ branzubereitung war ein Linearpolarisationsfilter ange¬ bracht, das so justiert war, daß an den Stellen, wo die Pur¬ purmembran-Zubereitung nicht bestrahlt wurde, keine Trans¬ mission beobachtet wurde. An den Stellen, wo die Purpurmem¬ bran-Zubereitung das Photoprodukt bzw. den Speicherzustand enthält, wurde transmittierte Intensität beobachtet.

Beispiel 2

0.5 ml einer Purpurmembransuspension des Typs BR^ ₈ 5 _96N mit einer optischen Dichte von 20 bei 600 nm wurde mit 9.5 ml Citratpuffer pH 5 (100 mMol/1) , der 50 mMol/1 Natriumchlorid und 6 % (Vol/Vol) Glycerin enthält, versetzt. Der pH wurde mittels einer Glaselektrode kontrolliert. Die erhaltene Suspension wurde in einen mit einer plangeschliffenen Glas¬ platte (Durchmesser 22.4 mm) abgeschlossenen Teflonzylinder (Innendurchmesser 16.2 mm) eingefüllt und in eine geeignete Zentrifugierhalterung eingepaßt. In einer Ultrazentrifuge wurde 45 Minuten bei 23000 UpM in einem Rotor des Typs TΞT 28.2 zentrifugiert. Der klare Überstand wurde anschließend verworfen. Der erhaltene Purpurmembranfilm hatte den Durch¬ messer der Zylinderbohrung und wurde 24 Std. bei 20°C und 30 % rel. Luftfeuchte getrocknet. Der Film wurde mit einer plangeschliffenen Glasplatte (Durchmesser 22.4 mm) verpreßt, wobei ein Edelstahlring mit 20 μ als Abstandshalter diente. Der so erhaltene Film hatte einen Wassergehalt von 5 Gew.-%

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(Gewichtsverlust beim Trocknen 24 h, bei 20°C über CaCl ₂ ) . Das durch 14 minütiges Bestrahlen mit Licht einer Wellen¬ länge von 676 nm bei einer Intensität von 100 mW/cm ² erhal¬ tene Photoprodukt hatte eine Speicherzeit von ca. einer Woche.

Das zerstörungsfreie Auslesen der Information war, wie in Beispiel 1 beschrieben, möglich.

Vergleichsbeispiel 1

Es wurde wie in Beispiel 1 verfahren, statt Glycerin wurde Wasser mit dem genannten Puffer und NaCl (100 mM Citrat- puffer pH 5.0, der 50 mM NaCl enthält) versetzt und die B^D85 96N ^-Sus P ^ens: '- ^{on ~e en} i Mischung dialysiert. Der so erhaltene Film wurde wie in Beispiel 1 mit linear polari¬ siertem Licht der Wellenlänge 676 nm (140 mW/10 min) bestrahlt. Die so eingeschriebene Information kann nach Abschalten des informationstragenden Lichts nicht mehr aus¬ gelesen werden, da der Speicherzustand zu kurzlebig ist.

Vergleichsbeispiel 2

Es wurde wie in Beispiel 2 verfahren. Statt einer Purpurmem¬ bran, die die Bakteriorhodopsin-Variante BR^ss 96N enthält, wurde eine verwendet, die die Bakteriorhodopsin-Variante ^BR D96N beinhaltet. Das wie in Beispiel 1 beschriebene popu- lierte Photointermediat hat eine Speicherzeit von weniger als 10 Minuten.

Vergleichsbeispiel 3

Es wurde wie in Vergleichsbeispiel 2 verfahren. Statt einer Purpurmembran, die die Bakteriorhodopsin-Variante BRogg _N

enthält, wurde eine verwendet, die die Bakreriorhodopsin- Variante BR _D g5E (H.J. Butt et al., Aspartic acids 96 and 85 play a central role in the function of bacteriorhodopsin as a proton pump, the EMBO Journal vol. 8, no. 6 (1989), pp. 1657-1663) beinhaltet. Das populierte Photointermediat hat eine Lebenszeit von etwa 4,5 Stunden.