Photoelectric Measurements and Modeling of Bacteriorhodopsin

Abstract

Recent technology has provided us with new information about the internal structures and properties of biomolecules. This has lead to the design of applications based on underlying biological processes. Applications proposed for biomolecules are, for example, the future computers and different types of sensors. One potential biomolecule to be incorporated in the applications is bacteriorhodopsin. Bacteriorhodopsin is a light-sensitive biomolecule, which works in a similar way as the light sensitive cells of the human eye. Bacteriorhodopsin reacts to light by undergoing a complicated series of chemical and thermal transitions. During these transitions, a proton translocation occurs inside the molecule. It is possible to measure the photovoltage caused by the proton translocations when a vast number of molecules is immobilized in a thin film. Also the changes in the light absorption of the film can be measured. This work aimed to develop the electronics needed for the voltage measurements of the bacteriorhodopsin-based optoelectronic sensors. The development of the electronics aimed to get more accurate information about the structure and functionality of these sensors. The sensors used in this work contain a thick film of bacteriorhodopsin immobilized in polyvinylalcohol. This film is placed between two transparent electrodes. The result of this work is an instrumentation amplifier which can be placed in a small space very close to the sensor. By using this amplifier, the original photovoltage can be measured in more detail. The response measured using this amplifier revealed two different components, which could not be distinguished earlier. Another result of this work is the model for the photoelectric response in dry polymer films.

Biomolekyyleistä on nykyteknologialla onnistuttu saamaan paljon uutta tietoa ja nyt biomolekyylien hyödyntämistä tulevaisuuden teknologioissa tutkitaan. Biomolekyylien yhdistäminen laitteisiin ja hyödyntäminen esimerkiksi tulevaisuuden tietokoneissa on mahdollista. Yksi tällainen biomolekyyli on bakteerirodopsiini. Bakteerirodopsiini on valoherkkä biomolekyyli, joka toimii hyvin samalla tavalla kuin ihmissilmän valoherkät solut. Bakteerirodopsiini reagoi valoon käymällä läpi sarjan kemiallisia ja termisiä muutoksia, joiden aikana molekyylissä tapahtuu varauksen siirto. Ohuesta kalvosta, joka sisältää paljon bakteerirodopsiinimolekyylejä, voidaan mitata varauksensiirtojen aiheuttama jännite sekä muutokset kalvon absorptiospektrissä. Tämän työn tarkoituksena oli kehittää bakteerirodopsiiniin perustuvien biosensoreiden sähköisiin mittauksiin tarvittavaa elektroniikkaa ja ymmärtää sensoreiden toimintaa paremmin. Mitattavat sensorit koostuvat paksusta suuntaamattomasta polyvinyylialkoholikalvosta, johon bakteerirodopsiinimolekyylit on sekoitettu. Tämän työn tuloksena on suoraan sensoriin kytkettävä instrumentointivahvistin, joka on mahdollista sijoittaa pieneen tilaan hyvin lähelle sensoria. Sensorin alkuperäinen sähköinen vaste saatiin uudella vahvistimella mitattua tarkemmin. Vasteesta saatiin selkeästi esiin kaksi komponenttia, joita ei aiemmin pystytty erottamaan. Lisäksi työn tuloksena muodostettiin malli bakteerirodopsiinin valosähköisen vasteen mallintamiseksi kuivissa polymeerifilmeissä