In-vitro synthesis and reconstitution of cytochrome bo 3 ubiquinol oxidase in artificial membranes

Forschung über Membranenproteine stellt strenge Hindernisse, seit ruhigem gerade wenige Beispiele der Membranenproteinsorten sind gekennzeichnet worden in den verwendbaren experimentellen Plattformen gegenüber. Die Hauptherausforderung ist, ihre ausgezeichnete entworfene strukturelle Vollständigkeit zu konservieren, während die Ausdruck-, Lokalisierungs- und Wiederherstellungprozesse auftreten. In-vitro übersetzungssysteme können Vorteile über auf Zellenbasisgenausdruck zum Beispiel haben, wenn das über-ausgedrückte Produkt zur Wirtszelle giftig ist oder wenn fehlende Pfosten-Übersetzungsänderung in den bakteriellen Ausdrucksystemen die Funktionalität der Säugetier- Proteine oder Mangel an vorhandenem Membranenraum verdirbt, Funktionsausdruck verbieten.rn Der Nachahmer von biologische Membranen wie feste gestützte Lipidmembranen sind als Plattform am meisten benutzt, Proteinmembraneninteraktionen nachzuforschen. Wir sind in der Lage, Membranenproteinsorte, da wir eine Plattform für Membranenproteinsynthese vorstellen, nämlich die in-vitrosynthese der Membranenproteine in ein Peptid gestütztes Membranensystem zu adressieren. Die Wiederherstellung der Membranenproteine in den Lipid bilayers resultiert im Allgemeinen mit verschiedenen Proteinanpassungen. Als Alternative erforschen wir dieses System zum ersten Mal, um genaueres Modell zu den zellularen Membranen zu verursachen und ihre Funktion, wie Proteineinfügung, Proteinfunktion und Ligandinteraktionen nachzuahmen.rn In dieser Arbeit ist unser Ziel, komplizierte Transmembraneproteine, wie des Cytochrome bo3-ubiquinol Oxydase (Cyt-bo3) direkt innerhalb der biomimetic vorbildlichen Membrane zu synthetisieren. In unserem System wird festes gestütztes tBLM wie, P19/DMPE/PC als Plattform benutzt. Dieses künstliche Membranensystem mimiks die amphiphile Architektur eines Zelle-abgeleiteten Membranensystems.rn

Single-molecule force spectroscopy of membrane proteins from membranes freely spanning across nanoscopic pores.

Single-molecule force spectroscopy (SMFS) provides detailed insight into the mechanical (un)folding pathways and structural stability of membrane proteins. So far, SMFS could only be applied to membrane proteins embedded in native or synthetic membranes adsorbed to solid supports. This adsorption causes experimental limitations and raises the question to what extent the support influences the results obtained by SMFS. Therefore, we introduce here SMFS from native purple membrane freely spanning across nanopores. We show that correct analysis of the SMFS data requires extending the worm-like chain model, which describes the mechanical stretching of a polypeptide, by the cubic extension model, which describes the bending of a purple membrane exposed to mechanical stress. This new experimental and theoretical approach allows to characterize the stepwise (un)folding of the membrane protein bacteriorhodopsin and to assign the stability of single and grouped secondary structures. The (un)folding and stability of bacteriorhodopsin shows no significant difference between freely spanning and directly supported purple membranes. Importantly, the novel experimental SMFS setup opens an avenue to characterize any protein from freely spanning cellular or synthetic membranes.

Ionophore-mediated transmembrane movement of divalent cations in small unilamellar liposomes: An evaluation of the chlortetracycline fluorescence technique and correlations with black lipid membrane studies

Conceptual advances in the field of membrane transport have, in the main, utilized artificial membranes, both planar and vesicular. Systems of biological interest,viz., cells and organelles, resemble vesicles in size and geometry. Methods are, therefore, required to extend the results obtained with planar membranes to liposome systems. In this report we present an analysis of a fluorescence technique, using the divalent cation probe chlortetracycline, in small, unilamellar vesicles, for the study of divalent cation fluxes. An ion carrier (X537 A) and a pore former (alamethicin) have been studied. The rate of rise of fluorescence signal and the transmembrane ion gradient have been related to transmembrane current and potential, respectively. A second power dependence of ion conduction-including the electrically silent portion thereof — on X537 A concentration, has been observed. An exponential dependence of ldquocurrentrdquo on ldquotransmembrane potentialrdquo in the case of alamethicin is also confirmed. Possible errors in the technique are discussed.

Characterization of the interactions of a polycationic, amphiphilic, terminally branched oligopeptide with lipid A and lipopolysaccharide from the deep rough mutant of Salmonella minnesota

The lipid A and lipopolysaccharide (LPS) binding and neutralizing activities of a synthetic, polycationic, amphiphilic peptide were studied. The branched peptide, designed as a functional analog of polymyxin B, has a six residue hydrophobic sequence, bearing at its N-terminus a penultimate lysine residue whose alpha- and epsilon-amino groups are coupled to two terminal lysine residues. In fluorescence spectroscopic studies designed to examine relative affinities of binding to the toxin, neutralization of surface charge and fluidization of the acyl domains, the peptide was active, closely resembling the effects of polymyxin B and its nonapeptide derivative; however, the synthetic peptide does not induce phase transitions in LPS aggregates as do polymyxin B and polymyxin B nonapeptide. The peptide was also comparable with polymyxin B in its ability to inhibit LPS-mediated IL-l and IL-6 release from human peripheral blood mononuclear cells. The synthetic compound is devoid of antibacterial activities and did not induce conductance fluxes in LPS-containing asymmetric planar membranes. These results strengthen the premise that basicity and amphiphilicity are necessary and sufficient physical properties that ascribe endotoxin binding and neutralizing activities, and further suggest that antibacterial/membrane perturbant and LPS neutralizing activities are dissociable, which may be of value in designing LPS-sequestering agents of low toxicity.

α-Synuclein senses lipid packing defects and induces lateral expansion of lipids leading to membrane remodeling.

There is increasing evidence for the involvement of lipid membranes in both the functional and pathological properties of α-synuclein (α-Syn). Despite many investigations to characterize the binding of α-Syn to membranes, there is still a lack of understanding of the binding mode linking the properties of lipid membranes to α-Syn insertion into these dynamic structures. Using a combination of an optical biosensing technique and in situ atomic force microscopy, we show that the binding strength of α-Syn is related to the specificity of the lipid environment (the lipid chemistry and steric properties within a bilayer structure) and to the ability of the membranes to accommodate and remodel upon the interaction of α-Syn with lipid membranes. We show that this interaction results in the insertion of α-Syn into the region of the headgroups, inducing a lateral expansion of lipid molecules that can progress to further bilayer remodeling, such as membrane thinning and expansion of lipids out of the membrane plane. We provide new insights into the affinity of α-Syn for lipid packing defects found in vesicles of high curvature and in planar membranes with cone-shaped lipids and suggest a comprehensive model of the interaction between α-Syn and lipid bilayers. The ability of α-Syn to sense lipid packing defects and to remodel membrane structure supports its proposed role in vesicle trafficking.

Paint-freeze method to form self-assembled alkanethiol/phospholipid bilayers on gold

A paint-freeze method for preparing self-assembled alkanethiol/phospholipid bilayers on a gold surface has been described (by cyclic voltammetry, a.c impedance, polarized FTIR-ATR) to be well-ordered and packed, stable, solvent-free bilayers. The lipid order parameter was 0.67, calculated from the dichroic ratio, consistent with a well-ordered lipid film in which the methylene groups have segmental flexibility and are disordered to a degree which is typical for a lipid bilayer in the liquid-crystalline phase. Such a supported membrane provides a useful way for studies in biophysics, physiology and electrochemistry.

Development of chemical separation processes for the treatment and monitoring of metallic cations and oxoanions in polluted waters

The chemical contamination of natural waters is a global problem with a worldwide impact. Considering the relevance of this problem, this thesis is intended, on one hand, to develop different separation/preconcentration techniques based on membranes ability to permeate anions for the transport of toxic oxyanions of chromium(VI) and arsenic contained in aqueous matrices. In particular, we have investigated supported liquid membranes and polymer inclusion membranes, both of which contain the commercial quaternary ammonium salt Aliquat 336 as a carrier, as well as commercial anion exchange membranes. On the other hand, we have focused on the development of chemical sensors to facilitate the monitoring of several metals from different aqueous matrices. Thus, a selective optical sensor for Cr(VI) based on polymeric membranes containing Aliquat 336 as an ionophore has been designed. Additionally, mercury-based screen-printed electrodes have been evaluated for for cadmium, lead, copper and zinc detection.

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.

Porous polyethersulfone-supported zeolitic imidazolate framework membranes for hydrogen separation

ZIF-8 thin layer has been synthesized on the asymmetric porous polyethersulfone (PES) substrate via secondary seeded growth. Continuous and dense ZIF-8 layer, containing microcavities, has good affinity with the PES support. Single gas permeance was measured for H2, N2, CH4, O2, and Ar at different pressure gradients and temperatures. Molecular sieving separation has been achieved for selectively separating hydrogen from larger gases. At 333 K, the H2 permeance can reach ∼4 × 10−7 mol m−2 s−1 Pa−1, and the ideal separation factors of H2 from Ar, O2, N2, and CH4 are 9.7, 10.8, 9.9, and 10.7, respectively. Long-term hydrogen permeance and H2/N2 separation performance show the stable permeability of the derived membranes.

Novel Self-Supported Natural and Synthetic Polymer Membranes for Air Humidification

Novel self-supported natural and synthetic polymer membranes of chitosan-hydroxy ethyl Cellulose-montmorillonite (CS-HEC-MMT) and polyvinyl alcohol (PVA)-polystyrene sulfonic acid (PSSA) are prepared by solution casting method followed by crosslinking. These membranes are employed for air humidification at varying temperatures between 30 degrees C and 70 degrees C and their performances are compared with commercial Nafion membranes. High hater fluxes with desired humidified-air output have been achieved for CS-HEC-MMT and PVA-PSSA hybrid membranes at air-flow rates of 1-10 slpm. Variation in the air/water mixing ratio, dew point, and relative humidity that ultimately results in desired water flux With respect to air-flow rates are also quantified for all the membranes. Water flux values for CS-HEC-MMT are less than those for Nafion (R) and PVA-PSSA membranes, but the operational Stability of CS-HEC-MMT membrane is higher than PVA-PSSA and comparable with Nafion (R) both of which can operate up to 70 degrees C at repetitive cycles of humidification.

Interdigited phospholipid/alkanethiol bilayers assembled on APTMS-supported gold colloid electrodes

The preparative procedure of a kind of phospholipid/alkanethiol bilayers on a planar macroelectrode was copied to the as-prepared gold colloid electrodes. The electrochemical and spectral results show that the bilayers on colloid electrodes are interdigited, which are different from their 2-D counterparts on a planar macroelectrode.