Interaction of miltefosine with intercellular membranes of stratum corneum and biomimetic lipid vesicles

Miltefosine (MT) is an alkylphospholipid approved for breast cancer metastasis and visceral leishmaniasis treatments, although the respective action mechanisms at the molecular level remain poorly understood. In this work, the interaction of miltefosine with the lipid component of stratum corneum (SC), the uppermost skin layer, was studied by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy of several fatty acid spin-labels. In addition, the effect of miltefosine on (i) spherical lipid vesicles of 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (DPPC) and (ii) lipids extracted from SC was also investigated, by EPR and time-resolved polarized fluorescence methods. In SC of neonatal Wistar rats, 4% (w/w) miltefosine give rise to a large increase of the fluidity of the intercellular membranes, in the temperature range from 6 to about 50 degrees C. This effect becomes negligible at temperatures higher that ca. 60 degrees C. In large unilamelar vesicles of DPPC no significant changes could be observed with a miltefosine concentration 25% molar, in close analogy with the behavior of biomimetic vesicles prepared with bovine brain ceramide, behenic acid and cholesterol. In these last samples, a 25 mol% molar concentration of miltefosine produced only a modest decrease in the bilayer fluidity. Although miltefosine is not a feasible skin permeation enhancer due to its toxicity, the information provided in this work could be of utility in the development of a MT topical treatment of cutaneous leishmaniasis. Published by Elsevier B.V.

Statistical models for experimental model membranes.

Biological membranes are constituted from lipid bilayers and proteins. Investigation of protein-membrane interaction, essential for biological function of cells, must rest upon solid knowledge of lipid bilayer behavior. Thus, extensive studies of an experimental model for membranes, lipid bilayers in water solution, have been undertaken in the last decades. These systems present structural, thermal and electrical properties which depend on temperature, ionic strength or concentration. In this talk, we shall discuss statistical models for lipid bilayers, as well as the relation between their properties and results for properties of lipid dispersions investigated by the laboratories supervised by Teresa Lamy (IF-USP) and Amando Ito (FFCL-USP).

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.

Membrane interactions of S100A12 (calgranulin C)

S100A12 (Calgranulin C) is a small acidic calcium-binding peripheral membrane protein with two EF-hand structural motifs. It is expressed in macrophages and lymphocytes and highly up-regulated in several human inflammatory diseases. In pigs, S100A12 is abundant in the cytosol of granulocytes, where it is believed to be involved in signal modulation of inflammatory process. In this study, we investigated the interaction of the porcine S100A12 with phospholipid bilayers and the effect that ions (Ca2+, Zn2+ or both together) have in modifying protein-lipid interactions. More specifically, we intended to address issues such as: (1) is the protein-membrane interaction modulated by the presence of ions? (2) is the protein overall structure affected by the presence of the ions and membrane models simultaneously? (3) what are the specific conformational changes taking place when ions and membranes are both present? (4) does the protein have any kind of molecular preferences for a specific lipid component? To provide insight into membrane interactions and answer those questions, synchrotron radiation circular dichroism spectroscopy, fluorescence spectroscopy, and surface plasmon resonance were used. The use of these combined techniques demonstrated that this protein was capable of interacting both with lipids and with ions in solution, and enabled examination of changes that occur at different levels of structure organization. The presence of both Ca2+ and Zn2+ ions modify the binding, conformation and thermal stability of the protein in the presence of lipids. Hence, these studies examining molecular interactions of porcine S100A12 in solution complement the previously determined crystal structure information on this family of proteins, enhancing our understanding of its dynamics of interaction with 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.

Analysis of ion channel stochastic signals for biosensing

In biological world, life of cells is guaranteed by their ability to sense and to respond to a large variety of internal and external stimuli. In particular, excitable cells, like muscle or nerve cells, produce quick depolarizations in response to electrical, mechanical or chemical stimuli: this means that they can change their internal potential through a quick exchange of ions between cytoplasm and the external environment. This can be done thanks to the presence of ion channels, proteins that span the lipid bilayer and act like switches, allowing ionic current to flow opening and shutting in a stochastic way. For a particular class of ion channels, ligand-gated ion channels, the gating processes is strongly influenced by binding between receptive sites located on the channel surface and specific target molecules. These channels, inserted in biomimetic membranes and in presence of a proper electronic system for acquiring and elaborating the electrical signal, could give us the possibility of detecting and quantifying concentrations of specific molecules in complex mixtures from ionic currents across the membrane; in this thesis work, this possibility is investigated. In particular, it reports a description of experiments focused on the creation and the characterization of artificial lipid membranes, the reconstitution of ion channels and the analysis of their electrical and statistical properties. Moreover, after a chapter about the basis of the modelling of the kinetic behaviour of ligand gated ion channels, a possible approach for the estimation of the target molecule concentration, based on a statistical analysis of the ion channel open probability, is proposed. The fifth chapter contains a description of the kinetic characterisation of a ligand gated ion channel: the homomeric α2 isoform of the glycine receptor. It involved both experimental acquisitions and signal analysis. The last chapter represents the conclusions of this thesis, with some remark on the effective performance that may be achieved using ligand gated ion channels as sensing elements.

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.

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.

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.

Mechanische Eigenschaften von freitragenden artifiziellen und nativen Membranen

This thesis presents a new method to explore the local mechanical properties such as bending modulus or surface tension of artificial and native pore-spanning membranes. Therefore the elastic response of a free-standing membrane to a local indentation by the means of atomic force microscopy is measured. Starting point are highly hexagonal ordered pores in alumina produced by electrochemical anodization of planar aluminium. The homogeneous pore radius can by tailored in the range of 10 nm up to 200 nm, but radius of 33 nm, 90 nm and 200 nm turned out to be best suited for investigation of the mechanical properties of pore-spanning native or artificial membranes. In this work artificial membrane systems consisting of DODAB as a bilayer in gel phase or DOTAP as a fluide membrane are spreaded by vesicle absorption on hexagonal structured pores after chemisorption of a 3-mercaptopropionic acid monolayer. Centrally indenting these nanodrums with an atomic force microscope tip yields force-indentation curves, which are quantitatively analyzed by solving the corresponding shape equations of continuum curvature elasticity. Since the measured response depends in a known way on the system geometry (pore size, tip radius) and on material parameters (bending modulus, lateral tension, adhesion), this opens the possibility to monitor local elastic properties of lipid membranes in a well-controlled setting. Additionally the locally distributed mechanical properties of pore-spanning artificial membranes are compared to those of native pore-spanning membranes. Therefore the basal membrane of MDCK II cells was prepared on porous alumina assays and their mechanical properties were analyzed by means of atomic force microscopy. Finally the elastic behavior such as the Young modulus of living MDCK II cells under various osmotic pressures is investigated. By changing the osmolarity in the extracellular region of MDCK II cells a volume change is induced according to hydration and dehydration of the cells, respectively. This volume change induces also a change in the elastic behavior of the cell, which is quantified by the means of force spectroscopy.

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.

Mimicking the pre-hairpin intermediate of gp41

A novel screening platform for potential retroviral fusion inhibitors on the basis of fully functional membrane‐anchored coiled coil lipopeptide receptors has been established. The work comprises the scrutiny of lateral organization of functional lipids in phase separated bilayers and an in‐depth investigation of the biophysical properties of lipopeptide‐based receptors. Lateral sorting of lipids was detected by the recognition of streptavidin of biotinylated lipids in phase separated bilayers and by nanoscopic patterns in mixed fluorocarbon / hydrocarbon lipid bilayers, employing temperature controlled atomic force microscopy (AFM) as a versatile characterization method. Particular features of fluorocarbon bilayers were additionally investigated in great detail by means of ellipsometry and ATR‐IR spectroscopy. Lipopeptide‐receptors were synthesized on the basis of a robust and reliable in situ coupling reaction by coupling terminal cysteine modified receptor‐peptides to a maleimide functionalized lipid bilayer. Receptor functionality of the lipopeptides was visualized by specific binding of vesicles and nanoparticles tracked by a multiplicity of characterization methods, such as AFM, ellipsometry, CLSM and fluorescence spectroscopy. Finally, in situ coupling of viral peptides, originating from the fusion protein of HIV resulted in a mimic of the pre‐hairpin intermediate of gp41. Structural analysis of N36‐lipopepides by means of CD‐spectroscopy in combination with FT‐IR spectroscopy revealed a coiled coil assembly of lipopeptides, which render the aggregates fully functional receptors for potent fusion inhibitors. Thereby, reversible inhibitor binding of T20 and the corresponding C‐ peptides was detected by AFM and ellipsometry, rendering coiled coil lipopeptides a new promising technique for screening of retroviral fusion inhibitors.

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

The biological basis of autism spectrum disorders: evaluation of oxidative stress and erytrocyte membrane alterations

This case-control study involved a total of 29 autistic children (Au) aged 6 to 12 years, and 28 gender and age-matched typically developing children (TD). We evaluated a high number of peripheral oxidative stress parameters, erythrocyte and lymphocyte membrane functional features and membrane lipid composition of erythrocyte. Erythrocyte TBARS, Peroxiredoxin II, Protein Carbonyl Groups and urinary HEL and isoprostane levels were elevated in AU (confirming an imbalance of the redox status of Au); other oxidative stress markers or associated parameters (urinary 8-oxo-dG, plasma Total antioxidant capacity and plasma carbonyl groups, erythrocyte SOD and catalase activities) were unchanged, whilst peroxiredoxin I showed a trend of elevated levels in red blood cells of Au children. A very significant reduction of both erythrocyte and lymphocyte Na+, K+-ATPase activity (NKA), a reduction of erythrocyte membrane fluidity, a reduction of phospatydyl serine exposition on erythrocyte membranes, an alteration in erythrocyte fatty acid membrane profile (increase in MUFA and in ω6/ω3 ratio due to decrease in EPA and DHA) and a reduction of cholesterol content of erythrocyte membrane were found in Au compared to TD, without change in erythrocyte membrane sialic acid content and in lymphocyte membrane fluidity. Some Au clinical features appear to be correlated with these findings; in particular, hyperactivity score appears to be related with some parameters of the lipidomic profile and membrane fluidity, and ADOS and CARS score are inversely related to peroxiredoxin II levels. Oxidative stress and erythrocyte structural and functional alterations may play a role in the pathogenesis of Autism Spectrum Disorders and could be potentially utilized as peripheral biomarkers.