DE4314588A1 - Bionischer Elementarbaustein für Hochleistungscomputer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft bionische Elementarbausteine mit supralei­ tungsanalogen Mikroregionen auf der Grundlage biopolymeren Mate­ rials für Hochleistungscomputer, Verfahren zur Herstellung des Elementarbausteins sowie die Verwendung von Biopolymeren als bei Körpertemperatur supraleitungsanalogen Bauelementen.

In der Frühphase bioelektrischer Forschung ist danach getrachtet worden, Festkörperphänomene nur in getrockneten oder gefrorenen Proben zu untersuchen, z. B. die Piezo- und Pyroelektrizität (Lang, S. B.: Nature 212 (1966) 704 f.; Shamos, M. H., Lavine, S.: Nature 213 (1967) 267-269; Marino, A. A., Becker, R. O.: Nature 253 (1975) 627-628).

Eine große Schwierigkeit bei der Übertragung von Zusammenhängen auf das native biologische Substrat war und ist die Zuordnung eines realistischen Aggregatzustandes. Das native biologische Milieu ist durch eine eigentümliche Zwitterstellung zwischen flüssigem und festem Aggregatzustand geprägt. Erstmals hat der Nobelpreisträger A. Szent-Györgyi der umfassenden Flüssigkeits­ biochemie und der Zuständigkeit des Massenwirkungsgesetzes in biologischen Systemen widersprochen (Sciece 93 (1941) 609-611).

F.W. Cope entwarf dazu folgende Vorstellung (Bull.Math.Bioph. 27 (1965) 99-109; Physiol.Chem.Physics 11 (1979) 261 f.):
In einer abstrakten Augenblicksbetrachtung ist ein gerade nicht deformiertes biologisches System, etwa in einer Zelle, dominie­ rend durch die Dipol- und Ionenzuordnung von Wasser und Ionen zu den polarisierten Biopolymeren geprägt, also durchaus mit einer gewissen logischen Konsequenz momentan als ein "Festkör­ per" zu modellieren. Wirkt auf ein eben solches System eine hinreichend grobe äußere Kraft ein, so strömen Wasser und Ionen durcheinander, und es dominiert Flüssigkeitsphysik in der zugehörigen Modellbildung.

Bereits 1964 hatte W.A. Little die Möglichkeit von Supraleitung in organischen Polymeren bei Raumtemperatur postuliert (Phys. Rev. 124A (1964) 1416) und Ladik 1969 das Konzept für DNA- Biopolymere mathematisch unterlegt (Ladik, J. et al.: Phys. Rev. 188 (1969) 710-715), indem er in einer Modellrechnung auf der Basis des Little-Konzepts für DNA-Biopolymere ein supraleitungs­ analoges Phänomen bei Raumtemperatur bzw. bei physiologischen Temperaturen voraus gesagt hatte. Nur entzog sich diese Hypothese wegen des geringen Volumenanteils nativer DNA in einer biologi­ schen Gewebeprobe dem Versuch des meßtechnischen Nachweises des Effekts, so daß diese Überlegungen nicht weiter verfolgt wurden.

Auch Cope (a.a.O.), der sich mit der Supraleitung bei Körpertem­ peratur beschäftigt hatte, jedoch nicht mit der Kollagenmatrix, diskutierte "supraleitende Mikroregionen" in organischen Biopoly­ meren. Er ging davon aus, daß für den Zustand angeregter elektri­ scher Leitfähigkeit über kurze Distanz konzeptionell die Einstein-Physik und Signalleitung mit relativistischer, nicht meßbarer, Lichtgeschwindigkeit angenommen werden kann, wenn für "c" nicht die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, sondern eine für das betreffende Medium (Biopolymer) realistische, wenngleich nicht direkt meßbare "Lichtgeschwindigkeit" zugrunde gelegt wird (Cope, F.W.: Physiol. Chem. Physics 13 (1981) 231-239 und 517-521; 14 (1982) 423-430).

Die mit der Elektrophysiologie der Bindegewebe (Knorpel, Knochen, Sehnen, Bänder und Stroma der inneren Organe) befalte Forschung sieht sich der Schwierigkeit gegenübergestellt, das Phänomen potentieller elektromagnetischer Noxen ("Elektrosmog") und die Versuche einer Definition der praxisrelevanten Mechanismen der in vivo-Wechselwirkung von schwachen elektromagnetischen Feldern mit biologischen Strukturen aufzuarbeiten (Pollack, S.R., Internatio­ nales Symposium über das Wolffsche Gesetz und orthopädische Pa­ thophysiologie, Berlin (Charit´) 4.-7.4.1990; Erster Weltkongreß über Elektrizität und Magnetismus in Biologie und Medizin, 14.-19.6.1992 in Lake Buena Vista, Florida). In diesem Kontext werden bisher in erster Linie onkogene Effekte (Leukämieinduktion), teratogene Effekte (Keimschädigung) und neurologisch-psychologi­ sche Effekte (nervale Perzeption) betrachtet.

In dem für die Beschreibung der extern meßbaren elektrischen Deformationspotentiale an Knorpelgewebe postulierten strömungski­ netischen Modell (Grodzinsky, A. J.: Biomedical Engeneering 9 (1983) 133-199; Grodzinsky u. a.: Nature 275 (1978) 448-450) ist durch einen konzeptionellen Fehlschluß eine nervähnliche bioelek­ trische Signalleitung entlang den Kollagenfibrillen im Inneren des Knorpelgewebes ausgeschlossen und damit ein höherer bioelek­ tronischer Ordnungszustand oder Systemcharakter der nativen bio­ logischen Gewebe, insbesondere der physikalisch relativ über­ sichtlich modellierbaren extrazellulären Bindegewebsmatrix nicht erkannt worden (s. dazu Regling, G., Rückmann, H.-I., Bioelectro­ chem. Bioenerg. 22 (1989) 609-611).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bionisch supraleitungs­ analoge Elementarbausteine für Hochleistungscomputer zu schaffen und Verfahren zur Herstellung solcher Elementarbausteine anzuge­ ben. Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß als ein neues Merkmal und als entscheidender Baustein Biopolymere bzw. ihre Derivate einge­ setzt werden, und zwar in einer Weise, wie sie bei abstrahierter biokybernetischer Betrachtung in der funktionellen Mikroarchitek­ tur der Körpergewebe, insbesondere in der extrazellulären Binde­ gewegsmatrix, nativ vorgefunden werden.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß biopolymere Materia­ lien supraleitungsanaloge Eigenschaften bei physiologischen Tem­ peraturen aufweisen, etwa wenn sie in geeigneter Weise in die Spule eines Schwingkreises gebracht werden.

Als Biopolymere und ihre Derivate, wie modifizierte Biopolymere, eignen sich Skleroproteine, z. B. Kollagenfibrillen, Keratine, Proteine des Cytoskeletts oder Neurofibrillen, ebenso DNA-Mole­ külkomplexe. Diese Biopolymere finden jeweils in ihrer physiologischen in vivo-Konfiguration und -Strukturbeziehung (mit sterisch assozi­ ierten Partnerstrukturen) und ihrer nativen Milieubedingungen (z. B. Temperatur, elektrochemisches Milieu) Verwendung. Für die Gewinnung der erforderlichen Biopolymere sind insbesondere gen­ technische Produktionsverfahren geeignet, zumal in vivo wie in der artifiziellen Situation des bionischen Schaltelements Mecha­ nismen der molekularen Selbstorganisation bei der Fibrillogenese und anderen Strukturbildungsprozessen tief verankert und im gene­ tischen Code des Spender-Organismus fixiert sind. Diese biologischen Gegebenheiten erleichtern die technologische Aufgabe der Fertigung der bionischen Elementarbausteine im nano­ elektronischen Bereich erheblich.

Wird z. B. eine Schweinerippenknorpel-Probe als Spulenkern eines Schwingkreises bei einer Badtemperatur von 37°C eingesetzt und die Oszillatorfrequenz durch Änderung der Kapazität des Kondensa­ tors variiert, so lädt sich ein Oszillationsphänomen beobachten, dem eine veränderte - zumeist erhöhte - elektrische Leitfähigkeit zugrunde liegt (Beispiele, Fig. 1).

Aus der Literatur ist eine Apparatur zur Untersuchung des supra­ leitenden Phasensprungs in Aluminium bei extrem tiefen Temperatu­ ren bekannt (Schawlow, A.L., Devlin, G.E.: Effect of the energy gap on the penetration depth of superconductors. Phys. Rev. 113 (1959) 120-126). Mit der in dieser Patentanmeldung beschriebenen Apparatur werden erstmals biologische Gewebsproben im Bereich physiologischer Temperaturen (um 37°C) beschrieben.

Die unerwarteten Ergebnisse bilden die Grundlage des erfindungs­ gemäßen bionischen supraleitungsanalogen Elementarbausteins für einen Hochleistungscomputer im Bereich der Nanoelektronik.

Knorpel- bzw. Knochen-Proben bestehen - als Teil des Stütz- und Bindegewebes - aus Skleroproteinen, die als Kollagenmoleküle biogene, hochgeordnete Fibrillen mit nativer, helikalen Tertiär- bzw. Quartärstrukturen aufbauen, wobei in ausgeprägtem Male Prin­ zipien der sterischen Selbstorganisation zum Tragen kommen. An die Kollagenfibrillen kontaktieren segmental kleine Proteoglyka­ ne. Daraus, aus den in einem bioelektronischen Sinne anregbaren und signalleitenden Kollagenfibrillen von unter 50 bis 200 nm Durchmesser (bzw. analogem Biopolymer) mit ihrer charakteristi­ schen funktionellen und strukturellen Elementarperiodik (etwa 67 nm) und den sterisch assoziierten Partnermolekülen (Proteoglykan, einschließlich Minorkollagene und stabilisierende Bindungsprote­ ine bzw. analoge Strukturen) besteht der supraleitungsanaloge Elementarbaustein für Hochleistungscomputer bei physiologischen Temperaturen (resp. Raumtemperatur; Temperatur oberhalb 0°C).

Wesentlich für die Erfindung ist es, daß geeignete Biopolymerkon­ figurationen in die Spule eines Schwingkreis-Oszillators gebracht und bei definierter Magnetfeldstärke einer definierten Oszilla­ torfrequenz ausgesetzt werden.

Da die erfindungsgemäßen Strukturen, z. B. Kollagen-Proteoglykan- Elementarkonfiguration, in biologischen Geweben wegen ihrer sta­ tistischen Häufigkeit allein die Chance haben, ein nachweislich an nativ-intakte, nicht degenerierte Biopolymere gekoppeltes bioelektrisches Phänomen zur Darstellung zu bringen, ergeben sich die wesentlichen theoretisch konzeptionellen und konstruktions­ technischen Grundlagen für den erfindungsgemäßen supraleitungs­ analogen Elementarbaustein.

Die erfindungsgemäßen Elementarstrukturen, z. B. Kollagenfibrille/ assoziiertes Proteoglykan, erfüllen mit einer neuen bionischen Materialklasse und mit einer sterischen Konfiguration - native helikale Quartärstruktur der involvierten Biopolymeren - auf eine völlig originäre Weise die grundsätzlichen Voraussetzungen des Little′schen Supraleiters bei Raumtemperatur (Little, W.A., Phys. Rev. 134 (1964) A 1416).

Dem festgestellten Effekt in der biopolymeren Konfiguration als Teil des erfindungsgemäßen Elementarbausteins liegt unter Be­ trachtung der effektiven Kontaktareale, z. B. bei mittlerer Fi­ brillenstärke um 20.000 nm pro Periode, ein supraleitendes Tun­ neling (Josephson-Übergang) im Cope′schen Sinne zugrunde.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die Ionen- Cyclotronresonanz-Effekte der spezifischen Wechselwirkung schwa­ cher elektromagnetischer Felder mit Calcium- oder Kaliumionen im biologischen Milieu (Liboff, A.R. et al.: Ion Cyclotron Resonance Effects of ELF fields in biological Systems 3, S. 251-289 in: Wilson B.M. et al. (ed.): Extreme low frequency electromagnetic fields: The question of cancer. Battele Press, Colombus (Ohio), 1990) einen neuen Befund in einer biologisch und vor allem bio­ elektrisch relevanten Elekton-Cyclotron-Resonanz darstellt. Durch Einfügen der elektrischen Elementarladung und der Ruhemasse in der Cyclotonresonanzbeziehung ergibt sich für die erfindungs­ gemäße Apparatur in der elektrischen Leitfähigkeit von schlacht­ frischem Knorpel bei 30°C bei einer anliegenden Magnetfeldstär­ ke von 3,9 × 10^-5 T (3,9 × 10^-2 mT ein Resonanzphänomen im Be­ reich von 1,080 MHz, das auffällig mit den der Erfindung zugrun­ deliegenden Ergebnissen übereinstimmt (Fig. 1).

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung supraleitender Elementarbausteine für Hochleistungscomputer besteht darin, daß in native, sterisch intakte Biopolymere, z. B. Kollagenfibrillen mit Partnerstrukturen, in einer der natürlichen in vivo-Situation analogen Strukturbeziehung eine elektromagnetische Energie in Form von Wechselfeldern definierter Frequenz injiziert wird, wodurch der supraleitungsanaloge Effekt an bioelektrisch defi­ nierten Mikroregionen ausgelöst wird.

Bei der Lösung der Aufgaben der vorliegenden Erfindung hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß Biopolymere und ihre Derivate, wie modifizierte Biopolymere, Skleroproteine, z. B. Kollagenfibrillen, Keratine, Proteine des Cytoskeletts oder Neu­ rofibrillen, ebenso DNA-Molekülkomplexe, sich als Materialien verwenden lassen, die bei physiologischen Temperaturen supralei­ tungsanaloge Eigenschaften aufweisen und als supraleitungsanaloge Elementarbausteine (bionische Schaltelemente) geeignet sind.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1: Generelle Anordnung

Das zu prüfende Biopolymere bzw. sein Derivat werden als Kern in die Spule eines Schwingkreises gebracht (vgl. Schawlow, A.L. und Devlin, G.E.: Effect of the energy gap on the penetration of superconductors. Phys. Rev. 113 (1959) 120-126). Aus der Änderung der Oszillatorfrequenz wird auf die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Spulenkerns geschlossen.

Beispiel 2

Für den Spulenkern der Anordnung nach Beispiel 1 wird schlacht­ frischer Schweinerippenknorpel (nicht älter als 4 Stunden, Proben von etwa 0,6 × 0,6 × 1,0 cm) in Ringerlösung bei Temperaturen zwischen + 10 und 37°C eingesetzt. Die Prüffrequenz beträgt 1,080 MHz. Daraus resultierte bei Messung gegen eine Leerspule ein Frequenz- und Leitfähigkeitsmaximum der biologischen Probe bei 37°C, jedoch ohne eigentliche Sprungfunktion.

Beispiel 3

Wie im Beispiel 2, jedoch bei 37°C, wird eine Versuchsserie mit schlachtfrischen, "nativen" Rippenknorpelproben vom Schwein durchgeführt. Die Oszillatorfrequenz wird durch Änderung der Kapazität des Kondensators kursorisch zwischen 0,5 und 2,5 MHz, in engeren Meßschritten zwischen 950 und 1130 kHz variiert. Aus Fig. 1 gehen die typischen Meßkurven für den Quotienten der Meßfrequenz zweier Leerspulen (stets lineare Korrelationen) sowie für die Quotienten aus den Meßfrequenzen der jeweiligen Spule mit nativer Knorpelprobe und jener der leeren Vergleichsspule für 9 untersuchte Rippenknorpel hervor.

Es resultiert ein Oszillationsphänomen des genannten Quotienten zwischen 1060 und 1100 kHz aufgrund einer veränderten, zumeist erhöhten elektrischen Leitfähigkeit der biologischen Probe.

Beispiel 4

In der Versuchsanordnung entsprechend Beispiel 3 wird als Biopo­ lymer enthaltende Probe nativer kortikaler Knochen aus dem Femur vom Schwein eingesetzt. Probengröße und Versuchsbedingungen ent­ sprechen dem Beispiel 3.

Fig. 1

Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit nativer Knorpelproben von der Frequenz eines anliegenden magnetischen Wechselfeldes.

Claims (8)

1. Bionischer Elementarbaustein für Hochleistungscomputer enthal­ tend Biopolymere oder ihre Derivate.

2. Bionischer Elementarbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er als biopolymeres Material Skleroproteine enthält.

3. Bionischer Elementarbaustein nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er als biopolymeres Material Kollagenfi­ brillen enthält.

4. Bionischer Elementarbaustein nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kollagenfibrillen in sterischer Assoziation mit bionisch definierten Partnermolekülen bzw. -strukturen, z. B. Proteoglykanen oder Apatit, vorliegen.

5. Bionischer Elementarbaustein nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er einen supraleitungsanalogen Schaltme­ chanismus bei physiologischen Temperaturen auf der Basis der Biopolymere enthält.

6. Bionischer Elementarbaustein nach Anspruch 1 bis 5 für den Bereich der Nanoelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß er Biopolymere, z. B. Kollagenfibrillen, enthält, die zur Aufnahme elektromagnetischer Energie in Form eines Wechselfeldes defi­ nierter Grundfrequenz fähig sind.

7. Verfahren zur Herstellung eines bionischen Elementarbausteins für Hochleistungscomputer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Biopolymere oder ihre Derivate elektro­ magnetische Energie in Form eines Wechselfeldes definierter Grundfrequenz eingespeist wird.

8. Verwendung von Biopolymeren oder ihrer Derivate, wie modifi­ zierte Biopolymere, Skleroproteine, z. B. Kollagenfibrillen, Keratine, Proteine des Cytoskeletts oder Neurofibrillen, eben­ so DNA-Molekülkomplexe, als bei physiologischen Temperaturen supraleitungsanaloge Elementarbausteine (bionische Schaltele­ mente) für Hochleistungscomputer.