Structural characterisation of tBLMs

Biological membranes are one of the vital key elements of life but are also highly complex architectures. Therefore, various model membrane systems have been developed to enable systematic investigations of different membrane related processes. A biomimetic model architecture should provide a simplified system, which allows for systematic investigation of the membrane while maintaining the essential membrane characteristics such as membrane fluidity or electrical sealing properties. This work has been focused on two complementary parts. In a first part, the behaviour of the whey protein ß-lactoglobulin (ßlg) at a membrane interface has been investigated. Protein-lipid interactions have been studied using Langmuir monolayers at the air-water interface and tethered bilayer lipid membranes. A combination of different surface analytical techniques such as surface plasmon spectroscopy, neutron reflectivity and electrochemical techniques allowed for a detailed analysis of the underlying processes. Those experiments showed that the protein adsorbed in native confirmation, slightly flattened, to hydrophobic monolayers. If hydrophilic bilayers with defects were present, ßlg penetrated the upper layer. Interactions with phospholipids were only observed if the protein was denatured beforehand. Experiments at the air-water interface showed a more rigid conformation of the protein at acidic pH compared to alkaline pH. In the second part of this work, the structure of different model membrane systems has been investigated. Solid supported membrane systems have been established as powerful biomimetic architectures, which allow for the systematic investigation of various membrane related processes. Additionally, these systems have been proposed for biosensing applications. Tethered bilayer lipid membranes (tBLMS) are one type of solid supported membranes. The structure of the anchor lipid that tethers the membrane to the solid support has a significant impact on the membrane properties. Especially the sub-membrane part, which is defined by the spacer group, is important for the biological activity of incorporated membrane proteins. Various anchor lipids have been synthesised with different spacer and anchor groups. An increase of the spacer length led to a direct increase of the water reservoir beneath the membrane. However, this elongation also resulted in an amplified roughness of the monolayer and subsequently to diminished mechanical and electrical bilayer qualities. Additionally, a cholesterol-spacer had been designed to modulate the membrane fluidity. Model membrane systems with additional cholesterol-spacer or upper bilayer leaflets with additional cholesterol also exhibited an increased water reservoir with only slightly diminished mechanical and electrical abilities. Both parts show that tBLMs are very effective model systems that can be applied as biomimetic platforms to study for example lipid-protein interactions. They also enable the incorporation of ion channels and allow for potential biosensing application.

Modellmembranen sind hilfreiche Systeme, um komplizierte biologische Prozesse in vereinfachten Systemen unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. In dieser Arbeit wurden verankerte, festkörperunterstützte Lipidmembranen (tBLMs) und Lipidmonolagen an der Luft-Wasser-Grenzfläche als Modellsysteme zur Aufklärung der Wechselwirkungen zwischen dem Molkeprotein ß-lactoglobulin (ßlg) und Lipiden verwendet. Durch Experimente mit Oberflächenplasmonenresonanz, Neutronenreflektivität, Impedanz-spektoskopie, Brewsterwinkelmikroskopie und pi-Api-t Isothermen mit nativen und Harnstoff-denaturiertem Protein bei verschieden pH-Werten, elektrostatischen Wechselwirkungen als auch bei unterschiedlichen Lipid-Packungsdichten, konnte gezeigt werden, dass das Protein abgeflacht auf hydrophoben Monolagen adsorbiert. Hydrophile Bilayer werden von ßlg penetriert, wenn diese Defekte aufweisen, wie durch Experimente mit Cholesterol gezeigt werden konnte. Wechselwirkungen mit Phospholipiden und ßlg finden nur statt, wenn das Protein im entfalteten Zustand ist. Um die Zahl der untersuchbaren membran-assoziierten Proteine und Peptide zu erhöhen, wurden im zweiten Teil dieser Arbeit verschiedene Ankerlipide für tBLMs mit Neutronenreflektivität und Impedanzspektoskopie untersucht. Diese Moleküle ermöglichen es, den Bereich unterhalb des Bilayers zu kontrollieren, der für die Inkorporierung von Proteinen oder Peptiden von entscheidender Bedeutung ist. So konnte gezeigt werden, dass die Verlängerung der Spacerketten um Faktor 1.5 zu einer Vergrößerung des Wasserreservoirs unterhalb des Bilayers von ebenfalls Faktor 1.5 führt. Der Verlängerung der Ethylenketten des Ankers folgt aber eine vermehrte Rauhigkeit des Monolayers die Auswirkung auf die elektrisch als auch mechanische Qualität des Bilayers hat. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Membransysteme mit einem vergrößerten Anker, die Zugabe von Verdünnermolekülen mit Cholesterol bzw. Bilayer mit Cholesterol zu einem vergrößerten Wasserreservoirs, bei nur leicht verminderten elektrischen als auch mechanischen Eigenschaften, führen. Beide Abschnitte zeigen das tBLMs leistungsstarke Modellsysteme sind, die sowohl als biometrische Plattform zur Untersuchung von Protein-Lipid-Wechselwirkungen genutzt werden können, als auch den Einbau von Ionenkanälen ermöglichen und somit als Biosensor potentielle Anwendungen haben.