Kontaktmechanik und Strukturierung von festkörperunterstützen Lipidmembranen

Die vorliegende Arbeit beschreibt unter anderem die Realisierung eines Assays aus mikrostrukturierten und selektiv funktionalisierten künstlichen Membransegmenten auf einem Chip. Die Strukturierungsmethode kombiniert die softlithographische Technik des Mikroformens in Kapillaren mit der Vesikelspreittechnik und bietet ein elegantes Verfahren, einzeln adressierbare Lipidsegmente im Mikrometer Regime zu erzeugen. Unter Berücksichtigung des hydrodynamischen Fließverhaltens und der Stabilitätskriterien für PDMS-Elastomere wurden außerdem neue Strukturen entwi-ckelt, die für den kombinierten Einsatz von Rasterkraftmikroskopie und Fluoreszenz-mikroskopie optimiert sind. Die Anwendbarkeit des Lab-On-A-Chip-Devices als Bio-sensor wurde durch zwei prominente Protein-Rezeptor-Bindungsstudien fluores-zenzmikroskopisch und rasterkraftmikroskopisch belegt. Im zweiten Teil der Arbeit sind die mechanischen und adhäsiven Eigenschaften aus-gewählter Lipidsysteme mit einer neuen Charakterisierungstechnik untersucht wor-den, die die Kontaktmechanik von Rastersonden und Lipidmembranen auf Basis der Digitalisierung von Hochgeschwindigkeitskraftkurven und einer automatisierten Multi-parameteranalyse quantitativ erfasst. Dabei konnte die Korrelation zwischen der Ad-häsion und den materialspezifischen Durchbruchlängen und Durchbruchkräften, die charakteristische Stabilitätsparameter der Lipidmembran darstellen, auf Systemen mit variierenden Kopfgruppen und Kettenlängen analysiert werden. Das Verfahren erlaubte zudem die simultane Quantifizierung der elastischen Eigenschaften der Li-piddoppelschichten. Zu den Kraftkurven wurden Simulationen der Systemantwort durchgeführt, die ein tieferes Verständnis der Kontrastentstehung ermöglichen.

Thermal fluctuations and boundary conditions in the lattice Boltzmann method

The lattice Boltzmann method is a popular approach for simulating hydrodynamic interactions in soft matter and complex fluids. The solvent is represented on a discrete lattice whose nodes are populated by particle distributions that propagate on the discrete links between the nodes and undergo local collisions. On large length and time scales, the microdynamics leads to a hydrodynamic flow field that satisfies the Navier-Stokes equation. In this thesis, several extensions to the lattice Boltzmann method are developed. In complex fluids, for example suspensions, Brownian motion of the solutes is of paramount importance. However, it can not be simulated with the original lattice Boltzmann method because the dynamics is completely deterministic. It is possible, though, to introduce thermal fluctuations in order to reproduce the equations of fluctuating hydrodynamics. In this work, a generalized lattice gas model is used to systematically derive the fluctuating lattice Boltzmann equation from statistical mechanics principles. The stochastic part of the dynamics is interpreted as a Monte Carlo process, which is then required to satisfy the condition of detailed balance. This leads to an expression for the thermal fluctuations which implies that it is essential to thermalize all degrees of freedom of the system, including the kinetic modes. The new formalism guarantees that the fluctuating lattice Boltzmann equation is simultaneously consistent with both fluctuating hydrodynamics and statistical mechanics. This establishes a foundation for future extensions, such as the treatment of multi-phase and thermal flows. An important range of applications for the lattice Boltzmann method is formed by microfluidics. Fostered by the "lab-on-a-chip" paradigm, there is an increasing need for computer simulations which are able to complement the achievements of theory and experiment. Microfluidic systems are characterized by a large surface-to-volume ratio and, therefore, boundary conditions are of special relevance. On the microscale, the standard no-slip boundary condition used in hydrodynamics has to be replaced by a slip boundary condition. In this work, a boundary condition for lattice Boltzmann is constructed that allows the slip length to be tuned by a single model parameter. Furthermore, a conceptually new approach for constructing boundary conditions is explored, where the reduced symmetry at the boundary is explicitly incorporated into the lattice model. The lattice Boltzmann method is systematically extended to the reduced symmetry model. In the case of a Poiseuille flow in a plane channel, it is shown that a special choice of the collision operator is required to reproduce the correct flow profile. This systematic approach sheds light on the consequences of the reduced symmetry at the boundary and leads to a deeper understanding of boundary conditions in the lattice Boltzmann method. This can help to develop improved boundary conditions that lead to more accurate simulation results.

Detektion und Synthese eines liganden-gesteuerten Ionenkanals im mikrofluidischen Analysesystem

Membranproteine spielen eine wichtige Rolle bei physiologischen Prozessen wie Signalweiterleitung oder Immunreaktion. Deshalb stehen sie im Fokus der pharmakologischen Wirkstoffentwicklung und es besteht großes Interesse, Membranproteinbasierte Biosensoren zu entwickeln, die sich z.B. als Screening-Plattformen eignen. Allerdings stellt die Handhabung von Membranproteinen wegen ihrer amphiphilen Struktur eine große Herausforderung dar. Membranproteine werden meist in Zellkultur oder in bakteriellen Expressionssystemen synthetisiert. Diese Verfahren liefern aber oft nur eine geringe Ausbeute und erlauben wenig Kontrolle über die Expressionsbedingungen. Als alternativer Ansatz bietet sich stattdessen die in vitro Synthese von Proteinen an, die in einer zellfreien Umgebung stattfindet. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung eines miniaturisierten Analysesystems, das Aktivitätsmessungen an in vitro synthetisierten Ionenkanälen erlaubt. Dafür wurde ein Labon- Chip entwickelt, der elektrochemische und optische Nachweismethoden in parallelen Anätzen ermöglicht. Als amphiphile Umgebung für die Inkorporation von Membranproteinen wurden vier verschieden biomimetische Membranaufbauten hinsichtlich ihrer Dichtigkeit und ihrer Reproduzierbarkeit untersucht. Als Methode fanden insbesondere die Impedanzspektroskpie und die Oberflächenplasmonen-Resonanzspektroskopie Anwendung. Die peptide cushioned Bilyer Lipid Membranes (pcBLM) eignete sich dabei am besten für Untersuchungen an Membranproteinen. Zur Detektion der Ionenkanalaktivität wurde eine neue Messmethode etabliert, die auf der Messung der Impedanz bei fester Frequenz basiert und u.a. eine Aussage über die Änderung des Membranwiderstandes bei Aktivierung erlaubt. Am Beispiel des nicotinischen Acetylcholinrezeptors (nAchR) konnte gezeigt werden, dass sich die Aktivität von Ionenkanälen mit dem entwickelten Chip-System nachweisen ließ. Die Spezifität der Methode konnte durch verschiedene Kontrollen wie die Zugabe eines nicht-aktivierenden Liganden oder Inhibition des Rezeptors nachgewiesen werden. Weiterhin konnte die in vitro Synthese des Ionenkanals a7 nAchR durch Radioaktivmarkierung nachgewiesen werden. Die Inkorporation des Rezeptors in die biomimetischen Membranen wurde mit Immunodetektion und elektrochemischen Methoden untersucht. Es zeigte sich, dass die funktionelle Inkorporation des a7 nAchR davon abhing, welcher biomimetische Membranaufbau verwendet wurde.

Template-assisted patterning of functional polymers

In this thesis, anodic aluminum oxide (AAO) membranes, which provide well-aligned uniform mesoscopic pores with adjustable pore parameters, were fabricated and successfully utilized as templates for the fabrication of functional organic nanowires, nanorods and the respective well-ordered arrays. The template-assisted patterning technique was successfully applied for the realization of different objectives:rnHigh-density and well-ordered arrays of hole-conducting nanorods composed of cross-linked triphenylamine (TPA) and tetraphenylbenzidine (TPD) derivatives on conductive substrates like ITO/glass have been successfully fabricated. By applying a freeze-drying technique to remove the aqueous medium after the wet-chemical etching of the template, aggregation and collapsing of the rods was prevented and macroscopic areas of perfectly freestanding nanorods were feasible. Based on the hole-conducting nanorod arrays and their subsequent embedding into an electron-conducting polymer matrix via spin-coating, a novel routine concept for the fabrication of well-ordered all-organic bulk heterojunction for organic photovoltaic applications was successfully demonstrated. The increased donor/acceptor interface of the fabricated devices resulted in a remarkable increase of the photoluminescence quenching compared to a planar bilayer morphology. Further, the fundamental working principle of the templating approach for the solution-based all-organic photovoltaic device was demonstrated for the first time.rnFurthermore, in order to broaden the applicability of patterned surfaces, which are feasible via the template-based patterning of functional materials, AAO with hierarchically branched pores were fabricated and utilized as templates. By pursuing the common templating process hierarchically polymeric replicas, which show remarkable similarities with interesting biostructures, like the surface of the lotus leaf and the feet of a gecko, were successfully prepared.rnIn contrast to the direct infiltration of organic functional materials, a novel route for the fabrication of functional nanowires via post-modification of reactive nanowires was established. Therefore, reactive nanowires based on cross-linked pentafluorophenylesters were fabricated by utilizing AAO templates. The post-modification with fluorescent dyes was demonstrated. Furthermore, reactive wires were converted into well-dispersed poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) hydrogels, which exhibit a thermal-responsive reversible phase transition. The reversible thermal-responsible swelling of the PNIPAM nanowires exhibited a more than 50 % extended length than in the collapsed PNIPAM state. rnLast but not least, the shape-anisotropic pores of AAO were utilized to uniformly align the mesogens of a nematic liquid crystalline elastomer. Liquid crystalline nanowires with a narrow size distribution and uniform orientation of the liquid crystalline material were fabricated. It was shown that during the transition from the nematic to the isotropic phase the rod’s length shortened by roughly 40 percent. As such these liquid crystalline elastomeric nanowires may find application, as wire-shaped nanoactuators in various fields of research, like lab-on-chip systems, micro fluidics and biomimetics.rn

Liquid crystalline elastomers as stimuli-responsive microactuators

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are known to perform a reversible change of shape upon the phase transition from the semi-ordered liquid crystalline state to the chaotic isotropic state. This unique behavior of these “artificial muscles” arises from the self-organizing properties of liquid crystals (mesogens) in combination with the entropy-elasticity of the slightly crosslinked elastomer network. In this work, micrometer-sized LCE actuators are fabricated in a microfluidic setup. The microtubular shear flow provides for a uniform orientation of the mesogens during the crosslinking, a perquisite for obtaining actuating LCE samples. The scope of this work was to design different actuator geometries and to broaden the applicability of the microfluidic device for different types of liquid crystalline mesogens, ranging from side-chain to main-chain systems, as well as monomer and polymer precursors. For example, the thiol-ene “click” mechanism was used for the polymerization and crosslinking of main-chain LCE actuators. The main focus was, however, placed on acrylate monomers and polymers with LC side chains. A LC polymer precursor, comprising mesogenic and crosslinkable side-chains was synthesized. Used in combination with an LC monomer, the polymeric crosslinker promoted a stable LC phase, which allowed the mixture to be isothermally handled in the microfluidic reactor. If processed without the additional LC components, the polymer precursor yielded actuating fibers. A suitable co-flowing continuous phase facilitates the formation of a liquid jet and lowers the tendency for drop formation. By modification of the microfluidic device, it was further possible to prepare core-shell particles, comprised of an LCE shell and filled with an isotropic liquid. In analogy to the heart, a hollow muscle, the elastomer shell expels the inner liquid core upon its contraction. The feasibility of the core-shell particles as micropumps was demonstrated. In general, the synthesized LCE microactuators may be utilized as active components in micromechanical and lab-on-chip systems.

Entwicklung und Charakterisierung eines Drop-on-Demand-Aerosolgenerators für die Probenzuführung kleinster Flüssigkeitsmengen in der analytischen Atomspektroskopie

Die pneumatische Zerstäubung ist die häufigste Methode der Probenzuführung von Flüssigkeiten in der Plasmaspektrometrie. Trotz der bekannten Limitierungen dieser Systeme, wie die hohen Probenverluste, finden diese Zerstäuber aufgrund ihrer guten Robustheit eine breite Anwendung. Die flussratenabhängige Aerosolcharakteristik und pumpenbasierte Signalschwankungen limitieren bisher Weiterentwicklungen. Diese Probleme werden umso gravierender, je weiter die notwendige Miniaturisierung dieser Systeme fortschreitet. Der neuartige Ansatz dieser Arbeit basiert auf dem Einsatz modifizierter Inkjet-Druckerpatronen für die Dosierung von pL-Tropfen. Ein selbst entwickelter Mikrokontroller ermöglicht den Betrieb von matrixkodierten Patronen des Typs HP45 mit vollem Zugriff auf alle essentiellen Betriebsparameter. Durch die neuartige Aerosoltransportkammer gelang die effiziente Kopplung des Tropfenerzeugungssystems an ein ICP-MS. Das so aufgebaute drop-on-demand-System (DOD) zeigt im Vergleich zu herkömmlichen und miniaturisierten Zerstäubern eine deutlich gesteigerte Empfindlichkeit (8 - 18x, elementabhängig) bei leicht erhöhtem, aber im Grunde vergleichbarem Signalrauschen. Darüber hinaus ist die Flexibilität durch die große Zahl an Freiheitsgraden des Systems überragend. So ist die Flussrate über einen großen Bereich variabel (5 nL - 12,5 µL min-1), ohne dabei die primäre Aerosolcharakteristik zu beeinflussen, welche vom Nutzer durch Wahl der elektrischen Parameter bestimmt wird. Das entwickelte Probenzuführungssystem ist verglichen mit dem pneumatischen Referenzsystem weniger anfällig gegenüber Matrixeffekten beim Einsatz von realen Proben mit hohen Anteilen gelöster Substanzen. So gelingt die richtige Quantifizierung von fünf Metallen im Spurenkonzentrationsbereich (Li, Sr, Mo, Sb und Cs) in nur 12 µL Urin-Referenzmaterial mittels externer Kalibrierung ohne Matrixanpassung. Wohingegen beim pneumatischen Referenzsystem die aufwändigere Standardadditionsmethode sowie über 250 µL Probenvolumen für eine akkurate Bestimmung der Analyten nötig sind. Darüber hinaus wird basierend auf der Dosierfrequenz eines dualen DOD-Systems eine neuartige Kalibrierstrategie vorgestellt. Bei diesem Ansatz werden nur eine Standard- und eine Blindlösung anstelle einer Reihe unterschiedlich konzentrierter Standards benötigt, um eine lineare Kalibrierfunktion zu erzeugen. Zusätzlich wurde mittels selbst entwickelter, zeitlich aufgelöster ICP-MS umfangreiche Rauschspektren aufgenommen. Aus diesen gelang die Ermittlung der Ursache des erhöhten Signalrauschens des DOD, welches maßgeblich durch das zeitlich nicht äquidistante Eintreffen der Tropfen am Detektor verursacht wird. Diese Messtechnik erlaubt auch die Detektion einzeln zugeführter Tropfen, wodurch ein Vergleich der Volumenverteilung der mittels ICP-MS detektierten, gegenüber den generierten und auf optischem Wege charakterisierten Tropfen möglich wurde. Dieses Werkzeug ist für diagnostische Untersuchungen äußerst hilfreich. So konnte aus diesen Studien neben der Aufklärung von Aerosoltransportprozessen die Transporteffizienz des DOD ermittelt werden, welche bis zu 94 Vol.-% beträgt.

Die Regulation der Ubiquitinligase CHIP durch das Cochaperon BAG2 im zellulären System und im Kontext der replikativen Seneszenz

Eine funktionierende Proteinqualitätskontrolle ist essenziell für die Vitalität einer Zelle. Das dynamische Gleichgewicht zwischen Proteinfaltung und -degradation wird von molekularen Chaperonen aufrechterhalten, deren Aktivität wiederum durch die Interaktion mit zahlreichen Cochaperonen moduliert wird. Das Cochaperon CHIP ist ein zentraler Faktor in Proteintriage-Entscheidungsprozessen, da es als Ubiquitinligase Chaperonsubstrate dem Abbau zuführt und somit die Chaperonmaschinerie direkt mit den Systemen der Proteindegradation verbindet. Um Polypeptide vor einem vorzeitigen Abbau zu schützen, wird die destruktive Aktivität von CHIP durch weitere Cochaperone reguliert. rnIn dieser Arbeit konnte die Hemmung der Ligaseaktivität von CHIP durch das Cochaperon BAG2 mechanistisch erstmals in einem zellulären System nachgewiesen werden. Dazu wurde die humane IMR-90 Fibroblasten Zelllinie verwendet. Die Ubiquitinierungsaktivität von CHIP wurde anhand von HSP72 als Modell-CHIP-Substrat untersucht. Durch die verringerte Ubiquitinierung, und damit dem reduzierten Abbau von HSP72, regulierte BAG2 dessen intrazelluläre Proteinspiegel, ohne dabei selbst eine Hitzeschockantwort zu induzieren. Überexprimiertes BAG2 wirkte sich trotz stabilisierter HSP72-Spiegel bei einem appliziertem Hitzestresses negativ auf die Zellvitalität aus, vermutlich da BAG2 durch die Inhibition von CHIP-vermittelter Ubiquitinierung massiv in das Gleichgewicht zwischen Substratfaltung und -degradation eingreift.rnDa sich die Mechanismen der Proteinqualitätskontrolle in der Alterung stark verändern und sich den wandelnden Bedingungen in der Zelle anpassen, wurde in einem zweiten Teil dieser Arbeit mit Hilfe des IMR-90 Zellsystems als etabliertes Modell zellulärer Seneszenz analysiert, inwieweit sich die Aktivität und die Regulation von CHIP durch BAG2 in der zellulären Alterung ändern. In seneszenten Zellen war HSP72 erheblich weniger ubiquitiniert als in jungen Fibroblasten, was auf eine reduzierte CHIP-Aktivität hinweist. Diese blieb jedoch durch BAG2 weiterhin modulierbar. Die Funktion von BAG2 als Inhibitor der Ubiquitinligase CHIP blieb demnach in seneszenten Zellen bestehen. In gealterten Fibroblasten regulierte BAG2 außerdem die Proteinspiegel des CHIP-Substrates und Seneszenzinitiators p53, was BAG2 eine mögliche Rolle in der Etablierung des Seneszenz-Phänotyps zuspricht. Weiterhin unterlagen die Proteinspiegel der beiden funktionell redundanten CHIP-Modulatoren BAG2 und HSPBP1 in der zellulären Alterung einer reziproken Regulation. In gealterten Mäusen trat die gegenläufige Veränderung der beiden Cochaperone gewebsspezifisch in der Lunge auf. Außerdem waren die BAG2-Proteinspiegel im Hippocampus gealterter Tiere signifikant erhöht.rnZusammenfassend konnte anhand der erzielten Ergebnisse die Funktion von BAG2 als Inhibitor von CHIP im zellulären System bestätigt werden. Außerdem durchlaufen die Aktivität und die Regulation von CHIP einen seneszenzspezifischen Adaptationsprozess, welcher für die Erhaltung der Proteostase in der Alterung relevant sein könnte und in welchem die Funktion von BAG2 als CHIP-Modulator möglicherweise eine wichtige Rolle spielt.rnZukünftige Studien könnten die komplexen Mechanismen weiterführend aufklären, mit denen CHIP-Aktivität reguliert wird. Dies kann helfen, der altersbedingten Abnahme an proteostatischer Kontrolle entgegenzuwirken und aberrante Proteinaggregation in altersassoziierten Erkrankungen vorzubeugen.rn