Coupling Between GABA(A)-R Ligand-Binding Activity and Membrane Organization in beta-Cyclodextrin-Treated Synaptosomal Membranes from Bovine Brain Cortex: New Insights from EPR Experiments

Correlations between GABA(A) receptor (GABA(A)-R) activity and molecular organization of synaptosomal membranes (SM) were studied along the protocol for cholesterol (Cho) extraction with beta-cyclodextrin (beta-CD). The mere pre-incubation (PI) at 37A degrees C accompanying the beta-CD treatment was an underlying source of perturbations increasing [H-3]-FNZ maximal binding (70%) and K (d) (38%), plus a stiffening of SMs' hydrocarbon core region. The latter was inferred from an increased compressibility modulus (K) of SM-derived Langmuir films, a blue-shifted DPH fluorescence emission spectrum and the hysteresis in DPH fluorescence anisotropy (A (DPH)) in SMs submitted to a heating-cooling cycle (4-37-4A degrees C) with A (DPH,heating) < A (DPH,cooling). Compared with PI samples, the beta-CD treatment reduced B (max) by 5% which correlated with a 45%-decrement in the relative Cho content of SM, a decrease in K and in the order parameter in the EPR spectrum of a lipid spin probe labeled at C5 (5-SASL), and significantly increased A (TMA-DPH). PI, but not beta-CD treatment, could affect the binding affinity. EPR spectra of 5-SASL complexes with beta-CD-, SM-partitioned, and free in solution showed that, contrary to what is usually assumed, beta-CD is not completely eliminated from the system through centrifugation washings. It was concluded that beta-CD treatment involves effects of at least three different types of events affecting membrane organization: (a) effect of PI on membrane annealing, (b) effect of residual beta-CD on SM organization, and (c) Cho depletion. Consequently, molecular stiffness increases within the membrane core and decreases near the polar head groups, leading to a net increase in GABA(A)-R density, relative to untreated samples.

Photodynamic Efficiency of Cationic meso-Porphyrins at Lipid Bilayers: Insights from Molecular Dynamics Simulations

Porphyrin derivatives have applications as photoactive drugs in photodynamic therapy. However, little is known about their interactions with phospholipid membranes at the molecular level. We employed molecular dynamics simulations to model the binding between a series of cationic meso-(N-methyl-4-pyridinium)phenylporphyrins and anionic phosphatidylglycerol lipid bilayers. This was done in the presence of molecular oxygen within the membrane. The ability of various porphyrins to cause photodamage was quantified in terms of their immersion depth and degree of exposition to a higher oxygen concentration inside the membrane. Simulations showed that the photodynamic efficiency could be improved as the number of hydrophobic phenyl substituents attached to the porphyrinic ring increased. In the specific case of porphyrins containing two hydrophobic and two charged substituents, the cis isomer was significantly more efficient than the trans. These results correlate well with previous experimental observations. They highlight the importance of both the total charge and amphiphilicity of the photosensitizer for its performance in photodynamic therapy.

Stable assemblies of cationic bilayer fragments and CpG oligonucleotide with enhanced immunoadjuvant activity in vivo

The cationic lipid dioctadecyldimethylammonium bromide (DODAB) and the CpG oligonucleotide (CpG) have been separately used as potent immunoadjuvants driving Th1 responses. Here DODAB bilayer fragments (BF) and CpG (5 -TTGACGTTCG-3) assemblies have their physical properties and immunoadjuvant activity determined using ovalbumin (OVA) as a model antigen. At 0.1 mg/mL OVA, the dependence of DODAB BF/OVA size and zeta-potential on time and [DODAB] establishes 0.1 mMDODAB as suitable for obtaining stable and cationic DODAB BF/OVA assemblies. At 0.1 mMDODAB, 0.1 mg/mL OVA and 0.006 mMCpG, the zeta-potential is zero. At [CpG]>0.006 mM, good colloidal stability for the anionic assemblies is due to charge overcompensation. At 0.020 mM CpG, these DODAB BF/OVA/CpG assemblies are highly effective in vivo generating responses similar to those elicited by the stable and cationic DODAB BF/OVA. The anti-OVA DTH reaction and the secretion of IFN-gamma and IL-12 are 6, 42 and 9 times larger for the DODAB BF/OVA/CpG-immunized mice than the same responses by OVA-immunized mice, respectively. This work shows for the first time that charge of small assemblies is not important to determine the immune response. (C) 2011 Elsevier B. V. All rights reserved.

Aqueous dispersions of DMPG in low salt contain leaky vesicles

Aqueous dispersions of dimyristoyl phosphatidylglycerol (DMPG), at low ionic strength, display uncommon thermal behavior. Models for such behavior need to assign a form to the lipid aggregate. Although most studies accept the presence of lipid vesicles in the lipid gel and fluid phases, this is still controversial. With electron spin resonance (ESR) spectra of spin labels incorporated into DMPG aggregates, quantification of [C-14]sucrose entrapped by the aggregates, and viscosity measurements, we demonstrate the existence of leaky vesicles in dispersions of DMPG at low ionic strength, in both gel and fluid phases of the lipid. As a control system, the ubiquitous lipid dimyristoyl phosphatidylcholine (DMPC) was used. For DMPG in the gel phase, spin labeling only indicated the presence of lipid bilayers, strongly suggesting that DMPG molecules are organized as vesicles and not micelles or bilayer fragments (bicelles), as the latter has a non-bilayer structure at the edges. Quantification of [C-14]sucrose entrapping by DMPG aggregates revealed the presence of highly leaky vesicles. Due to the short hydrocarbon chains (C-14 atoms), DMPC vesicles were also found to be partially permeable to sucrose, but not as much as DMPG vesicles. Viscosity measurements, with the calculation of the intrinsic viscosiiy of the lipid aggregate, showed that DMPG vesicles are rather similar in the gel and fluid phases, and quite different from aggregates observed along the gel-fluid transition. Taken together, our data strongly supports that DMPG forms leaky vesicles at both gel and fluid phases. (C) 2011 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Molecular Dynamics Investigations of PRODAN in a DLPC Bilayer

Molecular dynamics computer simulations have been performed to identify preferred positions of the fluorescent probe PRODAN in a fully hydrated DLPC bilayer in the fluid phase. In addition to the intramolecular charge-transfer first vertical excited state, we considered different charge distributions for the electronic ground state of the PRODAN molecule by distinct atomic charge models corresponding to the probe molecule in vacuum as well as polarized in a weak and a strong dielectric solvent (cyclohexane and water). Independent on the charge distribution model of PRODAN, we observed a preferential orientation of this molecule in the bilayer with the dimethylamino group pointing toward the membrane's center and the carbonyl oxygen toward the membrane's interface. However, changing the charge distribution model of PRODAN, independent of its initial position in the equilibrated DLPC membrane, we observed different preferential positions. For the ground state representation without polarization and the in-cyclohexane polarization, the probe maintains its position close to the membrane's center. Considering the in-water polarization model, the probe approaches more of the polar headgroup region of the bilayer, with a strong structural correlation with the choline group, exposing its oxygen atom to water molecules. PRODAN's representation of the first vertical excited state with the in-water polarization also approaches the polar region of the membrane with the oxygen atom exposed to the bilayer's hydration shell. However, this model presents a stronger structural correlation with the phosphate groups than the ground state. Therefore, we conclude that the orientation of the PRODAN molecule inside the DLPC membrane is well-defined, but its position is very sensitive to the effect of the medium polarization included here by different models for the atomic charge distribution of the probe.

Rotational diffusion membrane and fluorescence anisotropy.

Structural properties of model membranes, such as lipid vesicles, may be investigated through the addition of fluorescent probes. After incorporation, the fluorescent molecules are excited with linearly polarized light and the fluorescence emission is depolarized due to translational as well as rotational diffusion during the lifetime of the excited state. The monitoring of emitted light is undertaken through the technique of time-resolved fluorescence: the intensity of the emitted light informs on fluorescence decay times, and the decay of the components of the emitted light yield rotational correlation times which inform on the fluidity of the medium. The fluorescent molecule DPH, of uniaxial symmetry, is rather hydrophobic and has collinear transition and emission moments. It has been used frequently as a probe for the monitoring of the fluidity of the lipid bilayer along the phase transition of the chains. The interpretation of experimental data requires models for localization of fluorescent molecules as well as for possible restrictions on their movement. In this study, we develop calculations for two models for uniaxial diffusion of fluorescent molecules, such as DPH, suggested in several articles in the literature. A zeroth order test model consists of a free randomly rotating dipole in a homogeneous solution, and serves as the basis for the study of the diffusion of models in anisotropic media. In the second model, we consider random rotations of emitting dipoles distributed within cones with their axes perpendicular to the vesicle spherical geometry. In the third model, the dipole rotates in the plane of the of bilayer spherical geometry, within a movement that might occur between the monolayers forming the bilayer. For each of the models analysed, two methods are used by us in order to analyse the rotational diffusion: (I) solution of the corresponding rotational diffusion equation for a single molecule, taking into account the boundary conditions imposed by the models, for the probability of the fluorescent molecule to be found with a given configuration at time t. Considering the distribution of molecules in the geometry proposed, we obtain the analytical expression for the fluorescence anisotropy, except for the cone geometry, for which the solution is obtained numerically; (II) numerical simulations of a restricted rotational random walk in the two geometries corresponding to the two models. The latter method may be very useful in the cases of low-symmetry geometries or of composed geometries.

Oligonucleotide Adsorption Affects Phase Transition but Not Interdigitation of diC14-Amidine Bilayers

Oligonucleotides have been extensively used in basic research of gene expression and function, vaccine design, and allergy and cancer therapy. Several oligonucleotide-based formulations have reached the clinical trial phase and one is already on the market. All these applications, however, are dependent on suitable carriers that protect oligonucleotides against degradation and improve their capture by target cells. The cationic lipid diC14-amidine efficiently delivers nucleic acids to mammalian cells. It was recently shown that diC14-amidine bilayers present an interdigitated phase which strongly correlates with a potent fusogenic activity at low temperatures. Interdigitated phases correspond to very ordered gel phases where the two bilayer leaflets are merged; they usually result from perturbations at the interfacial region such as modifications of the polar headgroup area or dehydration of the bilayer. Interdigitation has been described for asymmetric lipids or mixed-chain lipids of different chain lengths and for lipids with large effective headgroup sizes. It has also been described for symmetric lipids under pressure modifications or in the presence of alcohol, glycerol, acetonitrile, polymyxin B, or ions like thiocyanate. Surprisingly, the role of polyelectrolytes on membrane interdigitation has been only poorly investigated. In the present work, we use dynamic light scattering (DLS), differential scanning calorimetry (DSC), and electron spin resonance (ESR) to explore the effect of a small single-stranded oligonucleotide (ODN) polyelectrolyte on the structure and colloid stability of interdigitated diC14-amidine membranes.

Computational analyses on the structure-function relation in ion channels

Ion channels are protein molecules, embedded in the lipid bilayer of the cell membranes. They act as powerful sensing elements switching chemicalphysical stimuli into ion-fluxes. At a glance, ion channels are water-filled pores, which can open and close in response to different stimuli (gating), and one once open select the permeating ion species (selectivity). They play a crucial role in several physiological functions, like nerve transmission, muscular contraction, and secretion. Besides, ion channels can be used in technological applications for different purpose (sensing of organic molecules, DNA sequencing). As a result, there is remarkable interest in understanding the molecular determinants of the channel functioning. Nowadays, both the functional and the structural characteristics of ion channels can be experimentally solved. The purpose of this thesis was to investigate the structure-function relation in ion channels, by computational techniques. Most of the analyses focused on the mechanisms of ion conduction, and the numerical methodologies to compute the channel conductance. The standard techniques for atomistic simulation of complex molecular systems (Molecular Dynamics) cannot be routinely used to calculate ion fluxes in membrane channels, because of the high computational resources needed. The main step forward of the PhD research activity was the development of a computational algorithm for the calculation of ion fluxes in protein channels. The algorithm - based on the electrodiffusion theory - is computational inexpensive, and was used for an extensive analysis on the molecular determinants of the channel conductance. The first record of ion-fluxes through a single protein channel dates back to 1976, and since then measuring the single channel conductance has become a standard experimental procedure. Chapter 1 introduces ion channels, and the experimental techniques used to measure the channel currents. The abundance of functional data (channel currents) does not match with an equal abundance of structural data. The bacterial potassium channel KcsA was the first selective ion channels to be experimentally solved (1998), and after KcsA the structures of four different potassium channels were revealed. These experimental data inspired a new era in ion channel modeling. Once the atomic structures of channels are known, it is possible to define mathematical models based on physical descriptions of the molecular systems. These physically based models can provide an atomic description of ion channel functioning, and predict the effect of structural changes. Chapter 2 introduces the computation methods used throughout the thesis to model ion channels functioning at the atomic level. In Chapter 3 and Chapter 4 the ion conduction through potassium channels is analyzed, by an approach based on the Poisson-Nernst-Planck electrodiffusion theory. In the electrodiffusion theory ion conduction is modeled by the drift-diffusion equations, thus describing the ion distributions by continuum functions. The numerical solver of the Poisson- Nernst-Planck equations was tested in the KcsA potassium channel (Chapter 3), and then used to analyze how the atomic structure of the intracellular vestibule of potassium channels affects the conductance (Chapter 4). As a major result, a correlation between the channel conductance and the potassium concentration in the intracellular vestibule emerged. The atomic structure of the channel modulates the potassium concentration in the vestibule, thus its conductance. This mechanism explains the phenotype of the BK potassium channels, a sub-family of potassium channels with high single channel conductance. The functional role of the intracellular vestibule is also the subject of Chapter 5, where the affinity of the potassium channels hEag1 (involved in tumour-cell proliferation) and hErg (important in the cardiac cycle) for several pharmaceutical drugs was compared. Both experimental measurements and molecular modeling were used in order to identify differences in the blocking mechanism of the two channels, which could be exploited in the synthesis of selective blockers. The experimental data pointed out the different role of residue mutations in the blockage of hEag1 and hErg, and the molecular modeling provided a possible explanation based on different binding sites in the intracellular vestibule. Modeling ion channels at the molecular levels relates the functioning of a channel to its atomic structure (Chapters 3-5), and can also be useful to predict the structure of ion channels (Chapter 6-7). In Chapter 6 the structure of the KcsA potassium channel depleted from potassium ions is analyzed by molecular dynamics simulations. Recently, a surprisingly high osmotic permeability of the KcsA channel was experimentally measured. All the available crystallographic structure of KcsA refers to a channel occupied by potassium ions. To conduct water molecules potassium ions must be expelled from KcsA. The structure of the potassium-depleted KcsA channel and the mechanism of water permeation are still unknown, and have been investigated by numerical simulations. Molecular dynamics of KcsA identified a possible atomic structure of the potassium-depleted KcsA channel, and a mechanism for water permeation. The depletion from potassium ions is an extreme situation for potassium channels, unlikely in physiological conditions. However, the simulation of such an extreme condition could help to identify the structural conformations, so the functional states, accessible to potassium ion channels. The last chapter of the thesis deals with the atomic structure of the !- Hemolysin channel. !-Hemolysin is the major determinant of the Staphylococcus Aureus toxicity, and is also the prototype channel for a possible usage in technological applications. The atomic structure of !- Hemolysin was revealed by X-Ray crystallography, but several experimental evidences suggest the presence of an alternative atomic structure. This alternative structure was predicted, combining experimental measurements of single channel currents and numerical simulations. This thesis is organized in two parts, in the first part an overview on ion channels and on the numerical methods adopted throughout the thesis is provided, while the second part describes the research projects tackled in the course of the PhD programme. The aim of the research activity was to relate the functional characteristics of ion channels to their atomic structure. In presenting the different research projects, the role of numerical simulations to analyze the structure-function relation in ion channels is highlighted.

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.

Photofixierung von Lipidmembranen aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen

Ziel war Herstellung und Charakterisierung festkörperunterstützter Membransysteme aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen, mit elektrischen Eigenschaften, die denen der Schwarzfilmmembranen entsprechen. Um diese Eigenschaften mit impedanzspektroskopischen Techniken messen zu können, ist die Präparation der Membranen auf Goldfilmen notwendig. Eine direkte Verankerung der Glykolipopolymermoleküle (GLP) auf der Goldoberfläche ist nicht möglich, daher werden die untersuchten GLP mit Hilfe von photoreaktiven Molekülen kovalent auf der Goldoberfläche immobilisiert. Untersuchten Abstandhalter waren Thio-Polyethylenglykol und eine Mischung zweier Alkanthiole, bestehend aus 1-Thiohexanol und Bis-(Aminododecyl)-disulfid. Thio-PEG-Monoschichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken, weil die Moleküle auf der Oberfläche sehr unterschiedliche Konformationen annehmen können, die eine regelmässige Anordnung erschweren. Langmuir-Blodgett Übertrag sowie die durchgeführte photochemische Fixierung der GLP-Moleküle auf Thio-PEG Schichten führte zu Eigenschaften, die auf den Aufbau einer Lipidmonolage hinweisen. Diese stellte jedoch im Bereich der Lipidmoleküle keine geschlossene Schicht dar. Es kommen als Abstandhaltermoleküle für die Photofunktionalisierung nur Moleküle in Frage, die aufgrund ihrer Eigenschaften eine regelmässige Anordnung auf der Goldoberfläche anstreben. Diese Voraussetzung erfüllt am besten die Gruppe der Alkanthiole. Terminal funktionalisierte Alkanthiole müssen jedoch mit nicht oder anderweitig funktionalisierten Alkanthiolen verdünnt assembliert werden, um weitergehende Funktionalisierungen einzugehen. Die untersuchten GLP lassen sich aufgrund ihrer amphiphilen Struktur an der Wasser-Luft Grenzfläche vororientieren. In allen Fällen gelingt auch der Langmuir-Blodgett Übertrag der komprimierten Schicht, sowie, nach der für die Anbindung notwendigen Trocknung, die photochemisch kovalente Fixierung der Monoschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht. Damit konnte erstmals die photochemisch kovalente Fixierung von GLPs auf der Goldoberfläche gezeigt werden. Untersuchungen erfolgten an einem Copolymer sowie zwei unterschiedlichen Homopolymermolekülen. Der unterschiedliche molekulare Aufbau der GLP spiegelt sich in ihrem Verhalten an der Wasser-Luft Grenzfläche sowie in den Eigenschaften der gebildeten Monoschichten wieder. Die Copolymer-Schichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken. Auch die EIS-Daten sind schlecht reproduzierbar. Dies ist auf die molekulare Struktur des Copolymers zurückzuführen. Gänzlich unterschiedlich verhalten sich die Homopolymere. Aufgrund ihrer Struktur lassen sie sich zu dichten Schichten komprimieren. Messungen der Fluoreszenzerholung nach Photobleichung (FRAP) zeigen homogene aber nicht fluide Schichten. Die photochemisch kovalente Fixierung des Moleküls auf der Goldoberfläche konnte durch SPR- sowie EIS-Messungen nachgewiesen werden. Die EIS-Messungen zeigen Werte, die sich in Bereichen der idealen Modellmembran bewegen. Der erfolgreiche Einbau von Valinomycin konnte bestätigt werden. FRAP Untersuchungen zeigten die Bildung homogener Schichten. Diese sind jedoch im Bereich der proximalen Lipidschicht nicht fluide. Um die Fluidität in Anlehnung an die Eigenschaften der natürlichen Membranen zu erhöhen, wurden die photochemisch kovalent fixierten Anker-Glykolipopolymer-Moleküle durch Mischung mit freien Lipiden lateral verdünnt. Auch die kovalente Fixierung der GLP-Bausteine innerhalb gemischten Schichten konnte erfolgreich demonstriert werden. Die Schichten zeigten sich jedoch, mit Ausnahme der Schichten aus 50mol% Homopolymer und 50mol% Lipid, inhomogen. Nach Photobleichung durch den Laserblitz kam es nur bei den 50mol%:50mol% -Schichten (Ho: Lipid) zur Erholung der Fluoreszenz, was auf das Vorliegen von beweglichen Lipidmolekülen innerhalb der Membran schliessen lässt. Der Versuch der Inkorporation von Valinomycin gelang ebenfalls. Alle genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die molekulare Architektur der hergestellten Schichten durch die unterschiedlichen Längendimensionen des Homopolymer-Moleküls einerseits, sowie des Lipids andererseits nicht für alle Mischungsverhältnisse ausreichend stabil ist. Die für die kovalente Fixierung erforderliche Trocknung der Schicht führt zu einer deutlichen Verminderung des Wassergehaltes des Systems und einer daraus resultierenden starken Destabilisierung der aufgebauten Schichten. Insgesamt gesehen stellt somit die photochemische Fixierung der glykosidischen Homopolymer-Membranen ein vielversprechendes Modellsystem dar.

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.

Theoretical studies of fluid membrane mechanics

Biologische Membranen sind Fettmolekül-Doppelschichten, die sich wie zweidimensionale Flüssigkeiten verhalten. Die Energie einer solchen fluiden Oberfläche kann häufig mit Hilfe eines Hamiltonians beschrieben werden, der invariant unter Reparametrisierungen der Oberfläche ist und nur von ihrer Geometrie abhängt. Beiträge innerer Freiheitsgrade und der Umgebung können in den Formalismus mit einbezogen werden. Dieser Ansatz wird in der vorliegenden Arbeit dazu verwendet, die Mechanik fluider Membranen und ähnlicher Oberflächen zu untersuchen. Spannungen und Drehmomente in der Oberfläche lassen sich durch kovariante Tensoren ausdrücken. Diese können dann z. B. dazu verwendet werden, die Gleichgewichtsposition der Kontaktlinie zu bestimmen, an der sich zwei aneinander haftende Oberflächen voneinander trennen. Mit Ausnahme von Kapillarphänomenen ist die Oberflächenenergie nicht nur abhängig von Translationen der Kontaktlinie, sondern auch von Änderungen in der Steigung oder sogar Krümmung. Die sich ergebenden Randbedingungen entsprechen den Gleichgewichtsbedingungen an Kräfte und Drehmomente, falls sich die Kontaktlinie frei bewegen kann. Wenn eine der Oberflächen starr ist, muss die Variation lokal dieser Fläche folgen. Spannungen und Drehmomente tragen dann zu einer einzigen Gleichgewichtsbedingung bei; ihre Beiträge können nicht mehr einzeln identifiziert werden. Um quantitative Aussagen über das Verhalten einer fluiden Oberfläche zu machen, müssen ihre elastischen Eigenschaften bekannt sein. Der "Nanotrommel"-Versuchsaufbau ermöglicht es, Membraneigenschaften lokal zu untersuchen: Er besteht aus einer porenüberspannenden Membran, die während des Experiments durch die Spitze eines Rasterkraftmikroskops in die Pore gedrückt wird. Der lineare Verlauf der resultierenden Kraft-Abstands-Kurven kann mit Hilfe der in dieser Arbeit entwickelten Theorie reproduziert werden, wenn der Einfluss von Adhäsion zwischen Spitze und Membran vernachlässigt wird. Bezieht man diesen Effekt in die Rechnungen mit ein, ändert sich das Resultat erheblich: Kraft-Abstands-Kurven sind nicht länger linear, Hysterese und nichtverschwindende Trennkräfte treten auf. Die Voraussagen der Rechnungen könnten in zukünftigen Experimenten dazu verwendet werden, Parameter wie die Biegesteifigkeit der Membran mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu bestimmen. Wenn die Materialeigenschaften bekannt sind, können Probleme der Membranmechanik genauer betrachtet werden. Oberflächenvermittelte Wechselwirkungen sind in diesem Zusammenhang ein interessantes Beispiel. Mit Hilfe des oben erwähnten Spannungstensors können analytische Ausdrücke für die krümmungsvermittelte Kraft zwischen zwei Teilchen, die z. B. Proteine repräsentieren, hergeleitet werden. Zusätzlich wird das Gleichgewicht der Kräfte und Drehmomente genutzt, um mehrere Bedingungen an die Geometrie der Membran abzuleiten. Für den Fall zweier unendlich langer Zylinder auf der Membran werden diese Bedingungen zusammen mit Profilberechnungen kombiniert, um quantitative Aussagen über die Wechselwirkung zu treffen. Theorie und Experiment stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum geht, die Relevanz von krümmungsvermittelten Wechselwirkungen in der biologischen Zelle korrekt zu beurteilen. In einem solchen Fall bieten Computersimulationen einen alternativen Ansatz: Die hier präsentierten Simulationen sagen voraus, dass Proteine zusammenfinden und Membranbläschen (Vesikel) bilden können, sobald jedes der Proteine eine Mindestkrümmung in der Membran induziert. Der Radius der Vesikel hängt dabei stark von der lokal aufgeprägten Krümmung ab. Das Resultat der Simulationen wird in dieser Arbeit durch ein approximatives theoretisches Modell qualitativ bestätigt.

Escherichia coli alpha-Hämolysin: Untersuchungen zur Struktur und Porenbildung

Escherichia coli α-Hämolysin (HlyA) ist ein Prototyp der RTX-Toxine, die zu den α-porenbildenden Toxinen gehören. HlyA bildet Poren in einer Vielzahl eukaryontischer Zielzellen. Das 107 kDa große Protein besteht aus 1024 Aminosäuren, die gemeinsam mit den Proteinen für posttranslationale Modifikation und Sekretion in einem Operon codiert werden. Die N-terminale Hälfte von HlyA besteht aus mehreren amphipathischen α –Helices, die mit der Porenbildung assoziiert werden, gefolgt von der Calcium-bindenden RTX-Domäne in der C-terminalen Hälfte des Moleküls. Über den porenbildenen Mechanismus ist wenig bekannt. Die vorliegende Arbeit fokussierte sich auf die Frage, ob dieser Prozess eine Oligomerisierung mehrerer HlyA-Moleküle beinhaltet, oder ob die membranschädigende Struktur von einem Monomer gebildet wird. Drei unabhängige biochemische Methoden wurden in dem Versuch eingesetzt, HlyA-Oligomere in permeabilisierten Membranen zu detektieren. In allen drei Ansätzen wurden negative Ergebnisse erreicht, was das Konzept bestätigt, dass die Pore von HlyA von einem Monomer gebildet wird. PCR-basierte Cysteinsubstitutionen wurden durchgeführt, um den N-terminus von HlyA zu charakterisieren. Einzelne Cysteinreste wurden an 21 Positionen innerhalb der Aminosäuresequenz 13-55 eingeführt, und mit dem umgebungssensitiven Fluorophor Badan markiert. Spektrofluorimetrische Messungen zeigten, dass alle untersuchten Aminosäuren innerhalb dieser Domäne unabhängig von der porenbildenden Aktivität in die Membran inserieren. Deletionen der Aminosäuren 1-50 hatten keinen Einfluß auf die lytische Aktivität, während die Deletion der Aminosäuren 1-100 in einer fast vollständig inaktiven Toxinmutante resultierte. Die Einführung von Prolinen durch PCR-basierte Mutagenese wurde durchgeführt, um die Beteiligung vorhergesagter α-Helices innerhalb der N-terminalen Hälfte von HlyA an der hämolytischen Aktivität zu untersuchen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Struktur von mindestens vier vorhergesagten Helices bedeutend für die hämolytische Aktivität ist.

Elastizität porenüberspannender Membranen: eine kraftmikroskopische Studie

Membranen spielen eine essentielle Rolle bei vielen wichtigen zellulären Prozessen. Sie ermöglichen die Erzeugung von chemischen Gradienten zwischen dem Zellinneren und der Umgebung. Die Zellmembran übernimmt wesentliche Aufgaben bei der intra- und extrazellulären Signalweiterleitung und der Adhäsion an Oberflächen. Durch Prozesse wie Endozytose und Exozytose werden Stoffe in oder aus der Zelle transportiert, eingehüllt in Vesikel, welche aus der Zellmembran geformt werden. Zusätzlich bietet sie auch Schutz für das Zellinnere. Der Hauptbestandteil einer Zellmembran ist die Lipiddoppelschicht, eine zweidimensionale fluide Matrix mit einer heterogenen Zusammensetzung aus unterschiedlichen Lipiden. In dieser Matrix befinden sich weitere Bausteine, wie z.B. Proteine. An der Innenseite der Zelle ist die Membran über Ankerproteine an das Zytoskelett gekoppelt. Dieses Polymernetzwerk erhöht unter anderem die Stabilität, beeinflusst die Form der Zelle und übernimmt Funktionenrnbei der Zellbewegung. Zellmembranen sind keine homogenen Strukturen, je nach Funktion sind unterschiedliche Lipide und Proteine in mikrsokopischen Domänen angereichert.Um die grundlegenden mechanischen Eigenschaften der Zellmembran zu verstehen wurde im Rahmen dieser Arbeit das Modellsystem der porenüberspannenden Membranen verwendet.Die Entwicklung der porenüberspannenden Membranen ermöglicht die Untersuchung von mechanischen Eigenschaften von Membranen im mikro- bis nanoskopischen Bereich mit rasterkraftmikroskopischen Methoden. Hierbei bestimmen Porosität und Porengröße des Substrates die räumliche Auflösung, mit welcher die mechanischen Parameter untersucht werdenrnkönnen. Porenüberspannende Lipiddoppelschichten und Zellmembranen auf neuartigen porösen Siliziumsubstraten mit Porenradien von 225 nm bis 600 nm und Porositäten bis zu 30% wurden untersucht. Es wird ein Weg zu einer umfassenden theoretischen Modellierung der lokalen Indentationsexperimente und der Bestimmung der dominierenden energetischen Beiträge in der Mechanik von porenüberspannenden Membranen aufgezeigt. Porenüberspannende Membranen zeigen eine linear ansteigende Kraft mit zunehmender Indentationstiefe. Durch Untersuchung verschiedener Oberflächen, Porengrößen und Membranen unterschiedlicher Zusammensetzung war es für freistehende Lipiddoppelschichten möglich, den Einfluss der Oberflächeneigenschaften und Geometrie des Substrates, sowie der Membranphase und des Lösungsmittels auf die mechanischen Eigenschaften zu bestimmen. Es ist möglich, die experimentellen Daten mit einem theoretischen Modell zu beschreiben. Hierbei werden Parameter wie die laterale Spannung und das Biegemodul der Membran bestimmt. In Abhängigkeit der Substrateigenschaften wurden für freitragende Lipiddoppelschichten laterale Spannungen von 150 μN/m bis zu 31 mN/m gefunden für Biegemodulde zwischen 10^(−19) J bis 10^(−18) J. Durch Kraft-Indentations-Experimente an porenüberspannenden Zellmembranen wurde ein Vergleich zwischen dem Modell der freistehenden Lipiddoppelschichten und nativen Membranen herbeigeführt. Die lateralen Spannungen für native freitragende Membranen wurden zu 50 μN/m bestimmt. Weiterhin konnte der Einfluss des Zytoskeletts und der extrazellulä-rnren Matrix auf die mechanischen Eigenschaften bestimmt und innerhalb eines basolateralen Zellmembranfragments kartiert werden, wobei die Periodizität und der Porendurchmesser des Substrates das räumliche Auflösungsvermögen bestimmen. Durch Fixierung der freistehenden Zellmembran wurde das Biegemodul der Membran um bis zu einem Faktor 10 erhöht. Diese Arbeit zeigt wie lokal aufgelöste, mechanische Eigenschaften mittels des Modellsystems der porenüberspannenden Membranen gemessen und quantifiziert werden können. Weiterhin werden die dominierenden energetischen Einflüsse diskutiert, und eine Vergleichbarkeit zurnnatürlichen Membranen hergestellt.rn

Multifunctional water-soluble phosphorus dendrimers

Dendrimers are polymeric macromolecules with a regularly branched structure and are synthesised in an iterative fashion. Due to their monodispersity, well-defined shape and extremely high functionality, dendrimers are ideal nano-sized objects for functional and biocompatible surface coatings, biosensing and biomedicine. This dissertation describes the synthesis of ten novel water-soluble phosphorus containing dendrimers and their application in different biological and biomimetic systems. The dendrimers can be divided into two classes; the first type contains either a ferrocene at the core or 24 ferrocenes in the branches. They showed reversible reduction-oxidation behaviour and might be applied in electronic multilayered architectures. Dendrimers of the second class carry a dithiolane functionalised core that can strongly bind to noble metals, like gold substrates. Although such dendrimer coated substrates were unable to tether defect-free lipid bilayer membranes, the coatings were successfully applied for culturing Human Osteoblast cells. The cell adhesion to a coating of polycationic dendrimers was so strong that cell division could not take place, specifically evoking apoptosis. The polyanionic dendrimers, however, promoted excellent cell adhesion and proliferation. Therefore, the practical application of such macromolecular architectures can be envisioned, such as in dendrimer coatings for tissue engineering and or medical implants.