Mechanics and dynamics of liposomes and cells studied by QCM and ECIS

The present thesis introduces a novel sensitive technique based on TSM resonators that provides quantitative information about the dynamic properties of biological cells and artificial lipid systems. In order to support and complement results obtained by this method supplementary measurements based on ECIS technique were carried out. The first part (chapters 3 and 4) deals with artificial lipid systems. In chapter 3 ECIS measurements were used to monitor the adsorption of giant unilamellar vesicles as well as their thermal fluctuations. From dynamic Monte Carlo Simulations the rate constant of vesicle adsorption was determined. Furthermore, analysis of fluctuation measurements reveals Brownian motion reflecting membrane undulations of the adherent liposomes. In chapter 4 QCM-based fluctuation measurements were applied to quantify nanoscopically small deformations of giant unilamellar vesicles with an external electrical field applied simultaneously. The response of liposomes to an external voltage with shape changes was monitored as a function of cholesterol content and adhesion force. In the second part (chapters 5 - 8) attention was given to cell motility. It was shown for the first time, that QCM can be applied to monitor the dynamics of living adherent cells in real time. QCM turned out to be a highly sensitive tool to detect the vertical motility of adherent cells with a time resolution in the millisecond regime. The response of cells to environmental changes such as temperature or osmotic stress could be quantified. Furthermore, the impact of cytochalasin D (inhibits actin polymerization) and taxol (facilitate polymerization of microtubules) as well as nocodazole (depolymerizes microtubules) on the dynamic properties of cells was scrutinized. Each drug provoked a significant reduction of the monitored cell shape fluctuations as expected from their biochemical potential. However, not only the abolition of fluctuations was observed but also an increase of motility due to integrin-induced transmembrane signals. These signals were activated by peptides containing the RGD sequence, which is known to be an integrin recognition motif. Ultimately, two pancreatic carcinoma cell lines, derived from the same original tumor, but known to possess different metastatic potential were studied. Different dynamic behavior of the two cell lines was observed which was attributed to cell-cell as well as cell-substrate interactions rather than motility. Thus one may envision that it might be possible to characterize the motility of different cell types as a function of many variables by this new highly sensitive technique based on TSM resonators. Finally the origin of the broad cell resonance was investigated. Improvement of the time resolution reveals the "real" frequency of cell shape fluctuations. Several broad resonances around 3-5 Hz, 15-17 Hz and 25-29 Hz were observed and that could unequivocally be assigned to biological activity of living cells. However, the kind of biological process that provokes this synchronized collective and periodic behavior of the cells remains to be elucidated.

Herstellung und physikochemische Charakterisierung von planaren gestützten Lipid-Modellmembran-Systemen

Es wurden funktionalisierte polymerunterstützte planare Phospholipid-Modellmembran-Systeme hergestellt und auf jeder Präparationsstufe eingehend charakterisiert. Dünne Polysaccharidfilme wurden in der Form von quellbaren Gelen auf oxidische Oberflächen aufgebracht und bezüglich ihres Quellungsverhaltens und der Oberflächeneigenschaften in Abhängigkeit vom Wassergehalt untersucht. Lipidmonoschichten unterschiedlicher Zusammensetzung wurden mittels Langmuir-Blodgett-Tranfer auf Polymersubstrate übertragen und bezüglich der Stärke der Lipid/Polymer Wechselwirkung, der lateralen Selbstdiffusion in Abhängigkeit von der Wasseraktivität, dem Spreitverhalten der monomolekularen Membran auf dem Substrat in Abhängigkeit von der Wasseraktivität und dem Lateraldruck der Monoschicht, sowie des Ausmaßes der Hydratation im Kopfgruppenbereich der Lipidmembran in Abhängigkeit von der Wasseraktivität mittels Fluoreszensondenmethoden (Fluoreszenzerholung nach Photobleichung (FRAP), Fluoreszenzmikroskopie und Fluoreszenzspektroskopie) untersucht. Diffusions- und Spreitverhalten von amphiphilen Monoschichten auf Polymersubstraten wurden auf der Basis von in dieser Arbeit entwickelten physikalischen Modellen diskutiert. Mittels Langmuir-Schäfer Transfer wurde auf polymerunterstützte Lipidmonoschichten eine zweite Monoschicht übertragen. Die somit erhaltenen Lipid-Doppelschichtmembranen wurden bezüglich ihrer Stabilität, der lateralen Struktur, der lateralen Selbstdiffusion, des Spreitverhaltens auf unbedeckte Bereiche sowie der Stärke der Membran/Substrat Wechselwirkung vermittels Fluoreszenzmikroskopie, FRAP und Interferenz-Kontrast-Mikroskopie (RICM) untersucht. Schließlich wurden substratgestützte Doppelschicht-Lipidmembranen mit als Protonenpumpen fungierenden integralen Membranproteinen versehen. Die laterale Selbstdiffusion der rekonstituierten Proteinmoleküle wurde mittels FRAP, die funktionale Aktivität der Protonenpumpen mit einem Ionen-sensitiven Feldeffekttransistor-Array analysiert.

Rekonstitution des Fumaratsensors DcuS in Liposomen und Transport von Fumarat und Succinat in Escherichia coli

Das Zweikomponentenregulationssystem DcuSR kontrolliert die Expression der wichtigsten fumaratinduzierten Gene in Escherichia coli. Die Gene dcuB und dctA, die fürDicarboxylatcarrier kodieren, sowie das Fumaratreduktase-Operon (frd), sind Zielgene für DcuSR. DcuS ist eine membranständige Sensorkinase mit einer großen periplasmatischen Domäne. NMR-spektroskopische Untersuchungen dieser Domäne zeigen Alpha-Helices und Beta-Faltblätter. Für die Fumaratbindung wichtige Aminosäuren wurden durch Mutagenese identifiziert. Gereinigtes DcuS wurde in Liposomen rekonstituiert. In Anwesenheit von ATP wird DcuS autophosphoryliert. Der Phosphatrest kann dann auf DcuR übertragen werden und beweist somit die Aktivität dieses in vitro Testsystems.Der Transport von C4-Dicarboxylaten erfolgt unter anaeroben Bedingungen durch die sekundären Carrier DcuA, DcuB und DcuC. Es konnte ein weiteres Protein (DcuD) identifiziert werden, das hohe Sequenzähnlichkeit zu DcuC aufweist. Eine dcuD-Mutante zeigte keinen Phänotyp und überproduziertes DcuD konnte den Ausfall der anderen Dcu-Carrier nicht kompensieren. DcuD ist damit ein kryptisches Mitglied der Dcu-Carrierfamilie. Unter aeroben Bedingungen katalysiert DctA den Transport von C4-Dicarboxylaten. Dennoch können dctA-Mutanten noch mit Succinat wachsen. Die Diffusionsrate von Succinat durch Membranen wurde bestimmt. Sie ist um Größenordnungen niedriger als der Transport in der Mutante. Bei dem DctA unabhängigen Transportsystem handelt es sich um einen H+/Succinat2-Symporter, der bei saurem pH aktiv ist und viele Eigenschaften eines Monocarboxylatcarriers aufweist.

Konformationsanalyse und Lipidbindung am rekombinanten Lichtsammlerprotein LHCIIb höherer Pflanzen

Die Struktur des Haupt-Lichtsammlerproteins II (LHCIIb) höherer Pflanzen ist aufgrund kristallographischer Strukturanalysen zu 94% aufgeklärt. Dennoch ist es bislang nicht gelungen, die aminoterminale Region des Komplexes vollständig zu lokalisieren. In einem ersten Abschnitt dieser Dissertation sollte anhand einer vergleichenden Bindungsstudie mit Hilfe von in vitro - Rekonstitutionen des LHCIIb geklärt werden, ob es sich bei dem so genannten N - terminalen Trimerisierungsmotiv des Lichtsammlerproteins um eine Interaktionsstelle mit dem Phospholipid Phosphatidylglyzerin handelt. Dazu wurden mehrere vergleichende Lipidbindungsstudien an rekombinantem Wildtyp - Protein und verschiedenen LHCIIb - Trimerisierungsmotiv - Mutanten durchgeführt, die allerdings nicht zu reproduzierbaren Ergebnissen führten.Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden intra- und intermolekulare Distanzmessungen an rekombinantem LHCIIb mit Hilfe der Elektronenspin - Resonanz - Spektroskopie durchgeführt. Dazu wurden zweifach mit einem Spin - Label markierte LHCIIb - Monomere und Trimere mit je einer Markierungsposition pro Monomer benutzt. Im Anschluss an die Messungen wurden die erhaltenen Distanzinformationen zusammen mit den bereits zugänglichen Kristallstrukturdaten des Komplexes für eine Modellierung der aminoterminalen Region des LHCIIb verwendet. Die resultierenden Modelle lassen den Schluss zu, dass es im LHCIIb - Trimer zu konformativen Restriktionen des Aminoterminus kommt. Dem entgegen findet man eine größere konformative Diversität in den vermessenen monomeren Komplexen.

Systematic studies of protein immobilization by surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy

The research interest of this study is to investigate surface immobilization strategies for proteins and other biomolecules by the surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) technique. The recrystallization features of the S-layer proteins and the possibility of combining the S-layer lattice arrays with other functional molecules make this protein a prime candidate for supramolecular architectures. The recrystallization behavior on gold or on the secondary cell wall polymer (SCWP) was recorded by SPR. The optical thicknesses and surface densities for different protein layers were calculated. In DNA hybridization tests performed in order to discriminate different mismatches, recombinant S-layer-streptavidin fusion protein matrices showed their potential for new microarrays. Moreover, SCWPs coated gold chips, covered with a controlled and oriented assembly of S-layer fusion proteins, represent an even more sensitive fluorescence testing platform. Additionally, S-layer fusion proteins as the matrix for LHCII immobilization strongly demonstrate superiority over routine approaches, proving the possibility of utilizing them as a new strategy for biomolecular coupling. In the study of the SPFS hCG immunoassay, the biophysical and immunological characteristics of this glycoprotein hormone were presented first. After the investigation of the effect of the biotin thiol dilution on the coupling efficiently, the interfacial binding model including the appropriate binary SAM structure and the versatile streptavidin-biotin interaction was chosen as the basic supramolecular architecture for the fabrication of a SPFS-based immunoassay. Next, the affinity characteristics between different antibodies and hCG were measured via an equilibrium binding analysis, which is the first example for the titration of such a high affinity interaction by SPFS. The results agree very well with the constants derived from the literature. Finally, a sandwich assay and a competitive assay were selected as templates for SPFS-based hCG detection, and an excellent LOD of 0.15 mIU/ml was attained via the “one step” sandwich method. Such high sensitivity not only fulfills clinical requirements, but is also better than most other biosensors. Fully understanding how LHCII complexes transfer the sunlight energy directionally and efficiently to the reaction center is potentially useful for constructing biomimetic devices as solar cells. After the introduction of the structural and the spectroscopic features of LHCII, different surface immobilization strategies of LHCII were summarized next. Among them the strategy based on the His-tag and the immobilized metal (ion) affinity chromatography (IMAC) technique were of great interest and resulted in different kinds of home-fabricated His-tag chelating chips. Their substantial protein coupling capacity, maintenance of high biological activity and a remarkably repeatable binding ability on the same chip after regeneration was demonstrated. Moreover, different parameters related to the stability of surface coupled reconstituted complexes, including sucrose, detergent, lipid, oligomerization, temperature and circulation rate, were evaluated in order to standardize the most effective immobilization conditions. In addition, partial lipid bilayers obtained from LHCII contained proteo-liposomes fusion on the surface were observed by the QCM technique. Finally, the inter-complex energy transfer between neighboring LHCIIs on a gold protected silver surface by excitation with a blue laser (λ = 473nm) was recorded for the first time, and the factors influencing the energy transfer efficiency were evaluated.

Struktur- und Funktionsuntersuchungen des C 4-Dicarboxylat-Sensors DcuS von Escherichia coli

Das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert die Expression der Gene der anaeroben Fumaratatmung in E. coli in Abhängigkeit von externen C4-Dicarbonsäuren. Die membranständige Histidinkinase DcuS detektiert den Reiz und leitet ihn über die Membran an den Responseregulaor DcuR weiter, der die Aktivität der Zielgene reguliert. Das Substratspektrum von DcuS wurde näher untersucht und strukturelle Eigenschaften der Substrate sowie ihre Affinität zu DcuS bestimmt. Es wird vermutet, dass Histidinkinasen im aktiven Zustand als Dimere oder höhere Oligomere vorliegen. Der Oligomerisierungszustand von DcuS in der Membran wurde mittels EPR-Spektroskopie untersucht. Es wurden funktionelle Cysteinmutanten von DcuS hergestellt, die nur an bestimmten Positionen der periplasmatischen Domäne Cysteinreste, aber sonst keine weiteren Cysteinreste, enthielten. Die Proteine wurden isoliert, über die Cysteinreste mit Nitroxiden markiert und in Liposomen rekonstituiert. Erste EPR-Messungen zeigten, dass rekonstituiertes DcuS in einem geordneten Zustand in der Membran vorliegt, der diskrete Abstände zwischen den Monomeren aufweist. Die Struktur von rekonstituiertem DcuS in der Membran soll durch Festkörper-NMR aufgeklärt werden. Ein geeignetes C-terminal verkürztes Konstrukt, DcuS-PD/PAS wurde zu diesem Zweck hergestellt. Das Protein ließ sich in hoher Reinheit isolieren und konnte wieder in Liposomen rekonstituiert werden. Vorbereitende NMR-Messungen zeigten, dass eine Strukturaufklärung an diesem Protein möglich ist. Weitere Strukturuntersuchungen werden zur Zeit durchgeführt.

Funktion des Rezeptors der sekretorischen Phospholipasen A 2 bei der Signaltransduktion in glomerulären Mesangiumzellen und entzündlichen Erkrankungen der Niere

Die sekretorischen Phospholipasen A2 (sPLA2) sind Enzyme, welche die Hydrolyse der Esterbindung an der sn-2-Position von Phospholipiden katalysieren, wodurch freie Fettsäuren, welche als Vorläufermolekül von Eicosanoiden dienen, freiwerden. Außerdem wurde gezeigt, dass sPLA2s auch unabhängig von ihrer katalytischen Aktivität durch die Bindung an einen spezifischen sPLA2-M-Typ-Rezeptor (MTR) intrazelluläre Signalwege, wie z.B. die Induktion von proinflammatorischen Genen, aktivieren können. Deshalb wurden in dieser Arbeit weiterführende Studien zur Aufklärung der Lokalisation und der Signaltransduktion der sPLA2s sowie die Bedeutung des MTR durchgeführt. Als Zellmodell für in-vitro-Studien wurden glomeruläre Mesangiumzellen verwendet, da diese Zellen eine zentrale Rolle bei entzündlichen Nierenerkrankungen, wie z.B. der Glomerulonephritis spielen. Durch Isolierung von Mesangiumzellen aus MTR-knockout-Mäusen (C57BL/6) sollten potentielle Unterschiede in der MTR-vermittelten Signaltransduktion im Vergleich zu Mesangiumzellen isoliert aus (C57BL/6) Wildtyp-Mäusen herausgearbeitet werden. Die Untersuchungen dieser Arbeit zeigen, dass verschiedene sPLA2-Enzyme in Maus-Mesangiumzellen exprimiert werden und diese an der konstitutiven Biosynthese von Prostaglandinen beteiligt sind. Der spezifische M-Typ-Rezeptor wird in diesen Zellen im Gegensatz zu Ratten-Mesangiumzellen weder unter physiologischen noch unter proinflammatorischen Bedingungen exprimiert und spielt daher vermutlich keine Rolle bei der Signaltransduktion durch sPLA2s.

Untersuchung der lateralen Organisation und Phasenumwandlung von festkörperunterstützten Lipidmembranen

Im ersten Teil der Arbeit wurde das Bindungsverhalten von Annexin A1 und Annexin A2t an festkörperunterstützte Lipidmembranen aus POPC und POPS untersucht. Für beide Proteine konnte mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie gezeigt werden, dass irreversible Bindung nur in Anwesenheit von POPS auftritt. Durch rasterkraftmikroskopische Aufnahmen konnte die laterale Organisation der Annexine auf der Lipidmembran dargestellt werden. Beide Proteine lagern sich in Form lateraler Aggregate (zweidimensionale Domänen) auf der Oberfläche an, außerdem ist der Belegungsgrad und die Größe der Domänen von der Membranzusammensetzung und der Calciumkonzentration abhängig. Mit zunehmendem POPS-Gehalt und Calciumkonzentration steigt der Belegungsgrad an und der mittlere Domänenradius wird kleiner. Diese Ergebnisse konnten in Verbindung mit detaillierten Bindungsstudien des Annexins A1 mit der Quarzmikrowaage verwendet werden, um ein Bindungsmodell auf Basis einer heterogenen Oberfläche zu entwickeln. Auf einer POPC-reichen Matrix findet reversible Adsorption statt und auf POPS-reichen Domänen irreversible Adsorption. Durch die Anpassung von dynamischen Monte Carlo-Simulationen basierend auf einer zweidimensionalen zufälligen sequentiellen Adsorption konnten Erkenntnisse über die Membranstruktur und die kinetischen Ratenkonstanten in Abhängigkeit von der Calciumkonzentration und der Inkubationszeit des Proteins gewonnen werden. Die irreversible Bindung ist in allen Calciumkonzentrationsbereichen schneller als die reversible. Außerdem zeigt die irreversible Adsorption eine deutlich stärkere Abhängigkeit von der Calciumkonzentration. Ein kleinerer Belegungsgrad bei niedrigen Ca2+-Gehalten ist hauptsächlich durch die Abnahme der verfügbaren Bindungsplätze auf der Oberfläche zu erklären. Die gute Übereinstimmung der aus den Monte Carlo-Simulationen erhaltenen Domänenstrukturen mit den rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen und die Tatsache, dass sich die simulierten Resonanzfrequenzverläufe problemlos an die experimentellen Kurven aus den QCM-Messungen anpassen ließen, zeigt die gute Anwendbarkeit des entwickelten Simulationsprogramms auf die Adsorption von Annexin A1. Die Extraktion der kinetischen Parameter aus dem zweidimensionalen RSA-Modell ist mit Sicherheit einem einfachen Langmuir-Ansatz überlegen. Bei einem Langmuir-Modell erfolgt eine integrale Erfassung einer einzelnen makroskopischen Geschwindigkeitskonstante, während durch das RSA-Modell eine differenzierte Betrachtung des reversiblen und irreversiblen Bindungsprozesses möglich ist. Zusätzlich lassen sich mikroskopische Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit gewinnen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das thermotrope Phasenverhalten von festkörperunterstützten Phospholipidbilayern untersucht. Dazu wurden mikrostrukturierte, frei stehende Membranstreifen präpariert und mit Hilfe der bildgebenden Ellipsometrie untersucht. Dadurch konnten die temperaturabhängigen Verläufe der Schichtdicke und der lateralen Membranausdehnung parallel beobachtet werden. Die ermittelten Phasenübergangstemperaturen von DMPC, diC15PC und DPPC lagen 2 - 3 °C oberhalb der Literaturwerte für vesikuläre Systeme. Außerdem wurde eine deutliche Verringerung der Kooperativität der Phasenumwandlung gefunden, was auf einen großen Einfluss des Substrats bei den festkörperunterstützten Lipidmembranen schließen lässt. Zusätzlich wurde ein nicht systematischer Zusammenhang der Ergebnisse von der Oberflächenpräparation gefunden, der es unabdingbar macht, bei Untersuchungen von festkörperunterstützten Substraten einen internen Standard einzuführen. Bei der Analyse des thermotropen Phasenübergangsverhaltens von DMPC/Cholesterol - Gemischen wurde daher die individuelle Adressierbarkeit der strukturierten Lipidmembranen ausgenutzt und ein Lipidstreifen aus reinem DMPC als Standard verwendet. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das für Phospholipide typische Phasenübergangsverhalten ab 30 mol% Cholesterol in der Membran nicht mehr vorhanden ist. Dies ist auf die Bildung einer nur durch höhere Sterole induzierten fluiden Phase mit hoch geordneten Acylketten zurückzuführen. Abschließend konnte durch die Zugabe von Ethanol zu einer mikrostrukturierten DMPC-Membran die Bildung eines interdigitierten Bilayers nachgewiesen werden. Die bildgebende Ellipsometrie ist eine sehr gute Methode zur Untersuchung festkörperunterstützter Lipidmembranen, da sie über ein sehr gutes vertikales und ein ausreichendes laterales Auflösungsvermögen besitzt. Sie ist darin zwar einem Rasterkraftmikroskop noch unterlegen, besitzt dafür aber eine einfachere Handhabung beim Umgang mit Flüssigkeiten und in der Temperierung, eine schnellere Bildgebung und ist als optische Methode nicht-invasiv.

Ion channels in mixed tethered bilayer lipid membranes

Mixed tethered bilayer lipid membranes (tBLMs) are described based on the self-assembly of a monolayer on template stripped gold, of an archea analogue thiolipid, 2,3-di-o-phytanyl-sn-glycerol-1-tetraethylene glycol-D,L--lipoic acid ester lipid (DPTL), and a newly designed dilution molecule, tetraethylene glycol-D,L--lipoic acid ester (TEGL). The usage of spacer and addition of extra dilution molecules between the substrate and the bilayer is that this architecture provides an ionic reservoir underneath the membrane, avoiding direct contact of the embedded membrane proteins with the gold electrodes and increasing the lateral diffusion of the bilayer, thus allowing for the incorporation of complex channels proteins which are failed in non-diluted systems. The tBLM is completed by fusion of liposomes made from a mixture of 1,2-diphythanolyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhyPC), cholesterol, and 1,2-diphytanoyl-sn-Glycero-3-phosphate (DPhyPG) in a molar ratio of 6:3:1. Varying the mixing ratio, the optimum mixing ratio was obtained at a dilution factor of DPTL and TEGL at 90%:10%. Only under these conditions, the mixed tBLM showed electrical properties, as shown by EIS, which are comparable to a BLM. With higher dilution factors, a defect-free lipid bilayer was not formed. Formation of bilayers have been characterized by different techniques, such as surface plasmon resonance (SPR), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), atomic force microscopy (AFM), and quartz crystal microbalance (QCM). Different proteins such as hemolysin, melittin, gramicidin, M2, Maxi-K, nAChR and bacteriohodopsin are incorporated into these tBLMs as shown by SPR and EIS studies. Ionic conductivity at 0 V vs. Ag|AgCl, 3M KCl were measured by EIS measurements. Our results indicate that these proteins have been successfully incorporated into a very stable tBLM environment in a functionally active form. Therefore, we conclude that the mixed tBLMs have been successfully designed as a general platform for biosensing and screening purposes of membrane proteins.

From lipid bilayers to synaptic vesicles: atomic force microscopy on lipid-based systems

The aim of this thesis was to apply the techniques of the atomic force microscope (AFM) to biological samples, namely lipid-based systems. To this end several systems with biological relevance based on self-assembly, such as a solid-supported membrane (SSM) based sensor for transport proteins, a bilayer of the natural lipid extract from an archaebacterium, and synaptic vesicles, were investigated by the AFM. For the characterization of transport proteins with SSM-sensors proteoliposomes are adsorbed that contain the analyte (transport protein). However the forces governing bilayer-bilayer interactions in solution should be repulsive under physiological conditions. I investigated the nature of the interaction forces with AFM force spectroscopy by mimicking the adsorbing proteoliposome with a cantilever tip, which was functionalized with charged alkane thiols. The nature of the interaction is indeed repulsive, but the lipid layers assemble in stacks on the SSM, which expose their unfavourable edges to the medium. I propose a model by which the proteoliposomes interact with these edges and fuse with the bilayer stacks, so forming a uniform layer on the SSM. Furthermore I characterized freestanding bilayers from a synthetic phospholipid with a phase transition at 41°C and from a natural lipid extract of the archaebacterium Methanococcus jannaschii. The synthetic lipid is in the gel-phase at room temperature and changes to the fluid phase when heated to 50°C. The bilayer of the lipid extract shows no phase transition when heated from room temperature to the growth temperature (~ 50°C) of the archeon. Synaptic vesicles are the containers of neurotransmitter in nerve cells and the synapsins are a family of extrinsic membrane proteins, that are associated with them, and believed to control the synaptic vesicle cycle. I used AFM imaging and force spectroscopy together with dynamic light scattering to investigate the influence of synapsin I on synaptic vesicles. To this end I used native, untreated synaptic vesicles and compared them to synapsin-depleted synaptic vesicles. Synapsin-depleted vesicles were larger in size and showed a higher tendency to aggregate compared to native vesicles, although their mechanical properties were alike. I also measured the aggregation kinetics of synaptic vesicles induced by synapsin I and found that the addition of synapsin I promotes a rapid aggregation of synaptic vesicles. The data indicate that synapsin I affects the stability and the aggregation state of synaptic vesicles, and confirm the physiological role of synapsins in the assembly and regulation of synaptic vesicle pools within nerve cells.

Identifizierung und Charakterisierung von Interaktionspartnern des synaptischen Vesikelproteins Synaptophysin

Die neuronale Signalübertragung beruht auf dem synaptischen Vesikelzyklus, der durch das koordinierte Zusammenspiel von circa 400 verschiedenen Proteinen reguliert wird. Eines der Hauptproteine des synaptischen Vesikels ist Synaptophysin (SYP), das zu den tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) gehört. Es wird vermutet, dass es zahlreiche Funktionen der Exo- und Endozytose moduliert, wenngleich die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen bisher größtenteils unverstanden sind. Ziel der Arbeit war daher die Identifizierung von Interaktionspartnern von SYP, um zum Verständnis der vielen ungeklärten Prozesse im synaptischen Vesikelzyklus beizutragen. Mit dem Split-Ubiquitin Yeast Two-Hybrid System, das eine direkte in vivo Interaktion von Membranproteinen erlaubt, konnten in der vorliegenden Arbeit bekannte, aber auch neue SYP-Bindungspartner identifiziert werden. Ein bekannter Interaktionspartner war Synaptobrevin2 (SYB2), das zu den stärksten im Split-Ubiquitin Y2H System identifizierten Bindeproteinen zählt. Zu den neuen starken SYP-Interaktionspartnern gehören die TVPs Synaptogyrin3 (SYNGR3) und SCAMP1. Somit konnten erstmals heterophile Interaktionen zwischen den verschiedenen TVP-Genfamilien nachgewiesen werden, die für eine universelle Funktion der TVPs sprechen. Die Validierung der im Split-Ubiquitin Y2H System ermittelten Interaktionspartner wurde auf eine Auswahl von Proteinen beschränkt, die vermutlich am synaptischen Vesikelzyklus beteiligt sind. Dabei konnte eine immunhistologische Kolokalisierung von SYP mit SYB2, SYNGR3, SCAMP1, Stathmin-like3 (STMN3), Rho family GTPase2 (RND2), Phospholipid transfer protein, Vesicle transport through interaction with t-SNAREs 1B homolog, Arfaptin2 und Profilin1 in den Synapsen-reichen Schichten der Retina beobachtet werden. Die SYP/SYB2- und SYP/SYNGR3-Komplexe konnten zudem sowohl aus Synaptosomen-Lysat als auch aus cDNA-transfizierten Epithelzellen koimmunpräzipitiert werden, wohingegen dies für die anderen Interaktionspartner nicht gelang. Da Koimmunpräzipitation die Struktur der Proteine durch Solubilisierung mit Detergenzien beeinflusst, wurden die in der Hefe beobachteten Interaktionen noch mittels Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer überprüft, mit dem Proteinwechselwirkungen in der nativen Umgebung nachgewiesen werden können. Ein positives FRET-Signal konnte für SYP mit SYB2, SYP, SYNGR3, SCAMP1, STMN3, RND2 und Arfaptin2 detektiert werden, lediglich für SYP mit Phospholipase D4 (PLD4) gelang dieser Nachweis nicht. Ferner zeigten FRET-Analysen von Synaptophysin-Mutanten, dass der zytoplasmatische C-Terminus für die Interaktion mit zytoplasmatischen und membranassoziierten Proteinen benötigt wird. Durch in vivo FRET-Studien mit der SH2-Domäne der Src-Kinase, die an phosphorylierte Tyrosine bindet, konnte eine Tyrosin-Phosphorylierung des zytoplasmatischen C-Terminus von Synaptophysin und von Synaptogyrin3 detektiert werden. Viele der neu identifizierten Synaptophysin-Interaktionspartner sind im Lipid-Metabolismus involviert. Vermutlich rekrutiert der zytoplasmatische und durch Phosphorylierung modifizierbare C-Terminus diese Partner in spezifische Lipoproteindomänen, die an der Feinabstimmung der synaptischen Vesikelendo- und -exozytose beteiligt sind.

Design, synthesis and application of ultrastable rylene dyes for fluorescent labeling of biomolecules

Studies of organic fluorescent dyes are experiencing a renaissance related to the increasing demands posed by new microscopy techniques for high resolution and high sensitivity. While in the last decade single molecule equipment and methodology has significantly advanced and in some cases reached theoretical limits (e.g. detectors approaching unity quantum yields) unstable emission from chromophores and photobleaching become more and more the bottleneck of the advancement and spreading of single-molecule fluorescence studies. The main goal of this work was the synthesis of fluorophores that are water-soluble, highly fluorescent in an aqueous environment, have a reactive group for attachment to a biomolecule and posses exceptional photostability. An approach towards highly fluorescent, water-soluble and monofunctional perylene-3,4,9,10-tetracarboxdiimide and terrylene-3,4:11,12-tetra carboxidiimide chromophores was presented. A new synthetic strategy for the desymmetrization of perylenetetracarboximides was elaborated; water-solubility was accomplished by introducing sulfonyl substituents in the phenoxy ring. Two strategies have been followed relying on either non-specific or site specific labeling. For this purpose a series of new water-soluble monofunctional perylene and terrylene dyes, bearing amine or carboxy group were prepared. The reactivity and photophysical properties of these new chromophores were studied in aqueous medium. The most suitable chromophores were further derivatized with amine or thiol reactive groups, suitable for chemical modification of proteins. The performance of the new fluorescent probes was assessed by single molecule enzyme tracking, in this case phospholipase acting on phospholipid supported layers. Phospholipase-1 (PLA-1) was labeled with N-hydroxysuccinimide ester functionalized perylene and terrylene derivatives. The purification of the conjugates was accomplished by novel convenient procedure for the removal of unreacted dye from labeled enzymes, which involves capturing excess dye with a solid support. This novel strategy for purification of bioconjugates allows convenient and fast separation of labeled proteins without the need for performing time consuming chromatographic or electrophoretic purification steps. The outstanding photostability of the dyes and, associated therewith, the extended survival times under strong illumination conditions allow a complete characterization of enzyme action on its natural substrates and even connecting enzyme mobility to catalytic activity. For site-specific attachment of the rylene dyes to proteins the chromophores were functionalized with thioesters or nitrilotriacetic acid groups. This allowed attachment of the emitters to the N-terminus of proteins by native chemical ligation or complexation with His-tagged polypeptides at the N- or C-termini, respectively. The synthesis of a water-soluble perylenebis (dicarboximide) functionalized with a thioester group was presented. This chromophore exhibits an exceptional photostability and a functional unit for site-specific labeling of proteins. The suitability of the fluorophore as a covalent label was demonstrated via native chemical ligation with protein containing N-terminal cystein residue. We exploited also oligohisitidine sequences as recognition elements for site-selective labeling. The synthesis of a new water-soluble perylene chromophore, containing a nitrilotriacetic acid functional group was demonstrated, using solution-phase and solid-phase approaches. This chromophore combines the exceptional photophysical properties of the rylene dyes and a recognition unit for site-specific labeling of proteins. An important feature of the label is the unchanged emission of the dye upon complexation with nickel ions.

Aktivierung der alpha-Sekretase ADAM10 als neuer therapeutischer Ansatz zur Behandlung der Alzheimer-Erkrankung

Die Stimulation der APP-prozessierenden α-Sekretase ADAM10 eröffnet eine vielversprechende Möglichkeit zur medizinischen Behandlung der Alzheimer-Krankheit. In dieser Arbeit wurden drei unterschiedliche Strategien zur therapeutischen Aktivierung von ADAM10 verfolgt: Die Aktivierung des G-Protein-gekoppelten Rezeptors PAC1 durch PACAP, die Gentherapie mit ADAM10-cDNA und die ADAM10-Promotorstimulation durch Retinoid-Rezeptor-Aktivierung. PACAP-38 stimuliert die α-Sekretase-vermittelte APPsα-Sekretion in humanen Neuroblastomzellen. Durch Aktivierung des PAC-1-Rezeptors via intranasal verabreichtem PACAP-38, konnte eine erhöhte α-sekretorische APP-Prozessierung bzw. verminderte Ablagerung von amyloiden Plaques in Mäusen gezeigt werden. Weiterhin sollte durch Immunoliposomen-basierte Transfektion die humane ADAM10-cDNA in den Neuronen der Maus überexprimiert werden. Hiefür wurde die DNA in Liposomen eingeschlossen, welche an ihrer Oberfläche mit anti-Transferrin-Antikörpern zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke gekoppelt waren. Für die Herstellung des DNA-Transportsystems wurden die Einzelschritte wie DNA-Einschluss mit einem Reportergen-Vektor, Konjugation mit verschiedenen Antikörpern und Größe der Liposomen erprobt und optimiert. Es konnte allerdings weder in vitro noch in vivo eine Immunoliposomen-vermittelte Transfektion nachgewiesen werden. In dieser Arbeit wurde zudem die Retinoid-basierte Expressionssteigerung von ADAM10 untersucht. Dafür wurden die beiden potentiellen Retinoid-Rezeptor-Bindestellen auf dem ADAM10-Promotor durch Verwendung selektiver nukleärer Rezeptor-Agonisten charakterisiert. Hierbei konnte erstmals gezeigt werden, dass der ADAM10-Promotor durch ein Dimer der nukleären Rezeptoren RAR und RXR aktiviert wird, wodurch eine erhöhte α-sekretorischen APP-Prozessierung in Neuroblastoma-Zellen resultiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die RAR/RXR-Heterodimeraktivierung sowohl auf dem humanen wie auf dem murinen ADAM10-Promotor identisch ist, so dass am Mausmodell entwickelte Retinoid-basierte Therapien auf den Menschen übertragbar sind. Für das Modell einer solchen Therapie wurde Acitretin verwendet, welches für die medizinische Behandlung humaner Hautkrankheiten seit Jahrzehnten eingesetzt wird. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass Acitretin in humanen und murinen Neuroblastoma-Zellen die Menge an ADAM10 erhöht, wodurch die α-sekretorische APP-Prozessierung gesteigert wird. Zudem wurden Mäuse mit Acitretin oral, subcutan und intranasal behandelt, wobei jedoch weder eine Veränderung in der APP-Prozessierung noch der Blut-Hirn-Transport von Acitretin eindeutig belegt werden konnten. Dennoch erschließt die α-Sekretase-erhöhende Eigenschaft von Acitretin einen neuen Therapieansatz, zur Behandlung von Demenzformen vom Typ des Morbus Alzheimer.

Effect of drug physicochemical properties on the release from liposomal systems in vitro and in vivo

Liposomes were discovered about 40 years ago by A. Bangham and since then they became very versatile tools in biology, biochemistry and medicine. Liposomes are the smallest artificial vesicles of spherical shape that can be produced from natural untoxic phospholipids and cholesterol. Liposome vesicles can be used as drug carriers and become loaded with a great variety of molecules, such as small drug molecules, proteins, nucleotides and even plasmids. Due to the variability of liposomal compositions they can be used for a large number of applications. In this thesis the β-adrenoceptor antagonists propranolol, metoprolol, atenolol and pindolol, glucose, 18F-Fluorodeoxyglucose (FDG) and Er-DTPA were used for encapsulation in liposomes, characterization and in vitro release studies. Multilamellar vesicles (MLV), large unilamellar vesicles (LUV) and smaller unilamellar vesicles (SUV) were prepared using one of the following lipids: 1,2-Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DMPC), 1,2-Distearoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DSPC), Phospholipone 90H (Ph90H) or a mixture of DSPC and DMPC (1:1). The freeze thawing method was used for preparation of liposomes because it has three advantages (1) avoiding the use of chloroform, which is used in other methods and causes toxicity (2) it is a simple method and (3) it gives high entrapping efficiency. The percentage of entrapping efficiencies (EE) was different depending on the type and phase transition temperature (Tc) of the lipid used. The average particle size and particle size distribution of the prepared liposomes were determined using both dynamic light scattering (DLS) and laser diffraction analyzer (LDA). The average particle size of the prepared liposomes differs according to both liposomal type and lipid type. Dispersion and dialysis techniques were used for the study of the in vitro release of β-adrenoceptor antagonists. The in vitro release rate of β-adrenoceptor antagonists was increased from MLV to LUV to SUV. Regarding the lipid type, β-adrenoceptor antagonists exhibited different in vitro release pattern from one lipid to another. Two different concentrations (50 and 100mg/ml) of Ph90H were used for studying the effect of lipid concentration on the in vitro release of β-adrenoceptor antagonists. It was found that liposomes made from 50 mg/ml Ph90H exhibited higher release rates than liposomes made at 100 mg/ml Ph90H. Also glucose was encapsulated in MLV, LUV and SUV using 1,2-Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DMPC), 1,2-Distearoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DSPC), Phospholipone 90H (Ph90H), soybean lipid (Syb) or a mixture of DSPC and DMPC (1:1). The average particle size and size distribution were determined using laser diffraction analysis. It was found that both EE and average particle size differ depending on both lipid and liposomal types. The in vitro release of glucose from different types of liposomes was performed using a dispersion method. It was found that the in vitro release of glucose from different liposomes is dependent on the lipid type. 18F-FDG was encapsulated in MLV 1,2-Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DMPC), 1,2-Distearoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DSPC), Phospholipone 90H (Ph90H), soybean lipid (Syb) or a mixture of DSPC and DMPC (1:1). FDG-containing LUV and SUV were prepared using Ph90H lipid. The in vitro release of FDG from the different types of lipids was accomplished using a dispersion method. Results similar to that of glucose release were obtained. In vivo imaging of FDG in both uncapsulated FDG and FDG-containing MLV was performed in the brain and the whole body of rats using PET scanner. It was found that the release of FDG from FDG-containing MLV was sustained. In vitro-In vivo correlation was studied using the in vitro release data of FDG from liposomes and in vivo absorption data of FDG from injected liposomes using microPET. Erbium, which is a lanthanide metal, was used as a chelate with DTPA for encapsulation in SUV liposomes for the indirect radiation therapy of cancer. The liposomes were prepared using three different concentrations of soybean lipid (30, 50 and 70 mg/ml). The stability of Er-DTPA SUV liposomes was carried out by storage of the prepared liposomes at three different temperatures (4, 25 and 37 °C). It was found that the release of Er-DTPA complex is temperature dependent, the higher the temperature, the higher the release. There was an inverse relationship between the release of the Er-DTPA complex and the concentration of lipid.

Oligomerisation, localisation and interaction of the sensor histidine kinases DcuS and CitA in Escherichia coli

The two-component system DcuSR of Escherichia coli regulates gene expression of anaerobic fumarate respiration and aerobic C4-dicarboxylate uptake. C4-dicarboxylates and citrate are perceived by the periplasmic domain of the membrane-integral sensor histidine kinase DcuS. The signal is transduced across the membrane by phosphorylation of DcuS and of the response regulator DcuR, resulting in activation of DcuR and transcription of the target genes.rnIn this work, the oligomerisation of full-length DcuS was studied in vivo and in vitro. DcuS was genetically fused to derivatives of the green fluorescent protein (GFP), enabling fluorescence resonance energy transfer (FRET) measurements to detect protein-protein interactions in vivo. FRET measurements were also performed with purified His6-DcuS after labelling with fluorescent dyes and reconstitution into liposomes to study oligomerisation of DcuS in vitro. In vitro and in vivo fluorescence resonance energy transfer showed the presence of oligomeric DcuS in the membrane, which was independent of the presence of effector. Chemical crosslinking experiments allowed clear-cut evaluation of the oligomeric state of DcuS. The results showed that detergent-solubilised His6-DcuS was mainly monomeric and demonstrated the presence of tetrameric DcuS in proteoliposomes and in bacterial membranes.rnThe sensor histidine kinase CitA is part of the two-component system CitAB of E. coli, which is structurally related to DcuSR. CitAB regulates gene expression of citrate fermentation in response to external citrate. The sensor kinases DcuS and CitA were fused with an enhanced variant of the yellow fluorescent protein (YFP) and expressed in E. coli under the control of an arabinose-inducible promoter. The subcellular localisation of DcuS-YFP and CitA-YFP within the cell membrane was studied by means of confocal laser fluorescence microscopy. Both fusion proteins were found to accumulate at the cell poles. The polar accumulation was slightly increased in the presence of the stimulus fumarate or citrate, respectively, but independent of the expression level of the fusion proteins. Cell fractionation demonstrated that polar accumulation was not related to inclusion bodies formation. The degree of polar localisation of DcuS-YFP was similar to that of the well-characterised methyl-accepting chemotaxis proteins (MCPs), but independent of their presence. To enable further investigations on the function of the polar localisation of DcuS under physiological conditions, the sensor kinase was genetically fused to the flavin-based fluorescent protein Bs2 which shows fluorescence under aerobic and anaerobic conditions. The resulting dcuS-bs2 gene fusion was inserted into the chromosome of various E. coli strains.rnFurthermore, a protein-protein interaction between the related sensor histidine kinases DcuS and CitA, regulating common metabolic pathways, was detected via expression studies under anaerobic conditions in the presence of citrate and by in vivo FRET measurements.