Derivate des Ionentransporters Valinomycin

In der vorliegenden Arbeit wurden Derivate des Ionentransporters Valinomycin synthetisiert und als Sensorelemente in Modellmembransysteme inkorporiert. Als Modellmembranen wurden festkörpergestützte Lipiddoppelschichten (tBLMs, tethered bilayer lipid membranes) verwendet. rnValinomycin transportiert selektiv Kalium-Ionen durch Membranen, was durch einen Rückgang des Widerstandes über elektrochemische Messmethoden nachgewiesen werden kann. Es ist ein zyklisches Dodecadepsipeptid, das aus zwei verschiedenen Aminosäuren (L- und D-Valin) und  Hydroxysäuren (L Milchsäure und D Hydroxyisovaleriansäure) besteht. In dieser Arbeit wurde ein L Valin durch ein L-Lysin ausgetauscht, um eine freie Aminogruppe zum Anbinden verschiedenster Liganden zu erhalten. rnDie Synthese erfolgte in Lösung über einen linearen Decadepsipeptid-Precursor, hierbei wurde hauptsächlich mit Benzyl- und Boc-Schutzgruppen gearbeitet. An den Precursor wurden dann unterschiedlich modifizierte Lysin-Didepside gebunden und das daraus erhaltene lineare Dodecadepsipeptid zyklisiert.rnInsgesamt wurden sechs verschiedene Derivate synthetisiert, deren Ionentransportfähigkeit mit Hilfe eines angebundenen Liganden blockiert wurde. Diese Blockade kann entweder mechanisch durch Festhalten des Ionencarriers an der Oberfläche der Membran oder chemisch durch Einbringen einer Ladung erfolgen, da geladene Moleküle eine Membran nicht überwinden können. rnAcetyl-Lysin-Valinomycin wurde als Testsystem hergestellt, um zu zeigen, dass die Synthese einen funktionsfähigen Ionencarrier ergeben hatte. Im nächsten Schritt wurde Lysin-Valinomycin mit freier Aminogruppe synthetisiert, um es als pH-Sensor zu nutzen und damit zu überprüfen, ob das chemische Einbringen einer Ladung möglich ist. Es konnte ein pH abhängiger Kalium-Transport nachgewiesen werden, die Blockade der Ionentransportfähigkeit über eine eingebrachte Ladung ist somit möglich. rnAuf dem gleichen Konzept beruht Ferrocen-Valinomycin. Wird der Ferrocen-Ligand oxidiert, liegt eine positive Ladung vor und der Ionencarrier kann die Membran nicht mehr überwinden. Eine Reduktion macht diesen Prozess reversibel. Ferrocen-Valinomycin konnte innerhalb einer tBLM chemisch oxidiert und reduziert werden, dieses System kann somit als chemischer Redox-Sensor eingesetzt werden.rnEine mechanische Blockade liegt dem Biotin- und dem Sulfonamid-Valinomycin zugrunde. Dabei soll die Zugabe von Streptavidin bzw. BCA II (bovine Carboanhydrase) den Ionentransport durch die Membran stoppen. Beide Valinomycin-Derivate zeigten aber keine Ionentransportfähigkeit, eine Inkorporation in tBLMs konnte jedoch über SPR gezeigt werden. rnDie Synthese eines fluoreszenz-markierten (FITC) Valinomycins ergab zwar auch keinen transportfähigen Ionencarrier, aber mit diesem Derivat konnte der Diffusionskoeffizient von Valinomycin in sBLMs mit Hilfe von Fluorescence Recovery after photobleaching (FRAP) bestimmt werden.rn

The anti-cancer agent nemorosone is a new potent protonophoric mitochondrial uncoupler

Nemorosone, a natural-occurring polycyclic polyprenylated acylphloroglucinol, has received increasing attention due to its strong in vitro anti-cancer action. Here, we have demonstrated the toxic effect of nemorosone (1-25 mu M) on HepG2 cells by means of the MTT assay, as well as early mitochondrial membrane potential dissipation and ATP depletion in this cancer cell line. In mitochondria isolated from rat liver, nemorosone (50-500 nM) displayed a protonophoric uncoupling activity, showing potency comparable to the classic protonophore, carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazone (CCCP). Nemorosone enhanced the succinate-supported state 4 respiration rate, dissipated mitochondrial membrane potential, released Ca(2+) from Ca(2+)-loaded mitochondria, decreased Ca(2+) uptake and depleted ATP. The protonophoric property of nemorosone was attested by the induction of mitochondrial swelling in hyposmotic K(+)-acetate medium in the presence of valinomycin. In addition, uncoupling concentrations of nemorosone in the presence of Ca(2+) plus ruthenium red induced the mitochondrial permeability transition process. Therefore, nemorosone is a new potent protonophoric mitochondrial uncoupler and this property is potentially involved in its toxicity on cancer cells. (C) 2010 Elsevier B.V. and Mitochondria Research Society. All rights reserved.

Important amino acid residues of potato plant uncoupling protein (StUCP)

Chemical modifications were used to identify some of the functionally important amino acid residues of the potato plant uncoupling protein (StUCP). The proton-dependent swelling of potato mitochondria in K+-acetate in the presence of linoleic acid and valinomycin was inhibited by mersalyl (Ki = 5 µM) and other hydrophilic SH reagents such as Thiolyte MB, iodoacetate and 5,5'-dithio-bis-(2-nitrobenzoate), but not by hydrophobic N-ethylmaleimide. This pattern of inhibition by SH reagents was similar to that of brown adipose tissue uncoupling protein (UCP1). As with UCP1, the arginine reagent 2,3-butadione, but not N-ethylmaleimide or other hydrophobic SH reagents, prevented the inhibition of StUCP-mediated transport by ATP in isolated potato mitochondria or with reconstituted StUCP. The results indicate that the most reactive amino acid residues in UCP1 and StUCP are similar, with the exception of N-ethylmaleimide-reactive cysteines in the purine nucleotide-binding site.

Cl- and regulation of pH by MDCK-C11 cells

The interaction between H+ extrusion via H+-ATPase and Cl- conductance was studied in the C11 clone of MDCK cells, akin to the intercalated cells of the collecting duct. Cell pH (pHi) was measured by fluorescence microscopy using the fluorescein-derived probe BCECF-AM. Control recovery rate measured after a 20 mM NH4Cl acid pulse was 0.136 ± 0.008 pH units/min (dpHi/dt) in Na+ Ringer and 0.032 ± 0.003 in the absence of Na+ (0 Na+). With 0 Na+ plus the Cl- channel inhibitor NPPB (10 µM), recovery was reduced to 0.014 ± 0.001 dpHi/dt. 8-Br-cAMP, known to activate CFTR Cl- channels, increased dpHi/dt in 0 Na+ to 0.061 ± 0.009 and also in the presence of 46 nM concanamycin and 50 µM Schering 28080. Since it is thought that the Cl- dependence of H+-ATPase might be due to its electrogenic nature and the establishment of a +PD (potential difference) across the cell membrane, the effect of 10 µM valinomycin at high (100 mM) K+ was tested in our cells. In Na+ Ringer, dpHi/dt was increased, but no effect was detected in 0 Na+ Ringer in the presence of NPPB, indicating that in intact C11 cells the effect of blocking Cl- channels on dpHi/dt was not due to an adverse electrical gradient. The effect of 100 µM ATP was studied in 0 Na+ Ringer solution; this treatment caused a significant inhibition of dpHi/dt, reversed by 50 µM Bapta. We have shown that H+-ATPase present in MDCK C11 cells depends on Cl- ions and their channels, being regulated by cAMP and ATP, but not by the electrical gradient established by electrogenic H+ transport.

Effects of large anphiphilic ligands upon the spectra and kinetics of cytochrome C oxidase

Cytoch ro me c oxidase (ferrocytochrome c : 02 oxidoreductase ; EC 1.9. 3.1) is the terminal enzyme in the mitochondrial electron transport chain, catalyzing the transfer of electrons from ferrocytochrome c to molecular oxygen. The effects of two large amphiphilic molecules .. valinomycin and dibucaine upon the spectra of the isolated enzyme and upon the activity of both isolated enzyme and enzyme in membrane systems are investigated by using spectrophotometric and oxygen electrode techniques. The results show that both valinomycin and dibucaine change the Soret region of the spectrum and cause a partial inhibition in a concentration range higher than that in which they act as ionophores. It is concluded that both valinomycin and dibucain~ binding induce a conformational change of the protein structure which modifies the spectrum of the a3 CUB centre and diminishes the rate of electron transfer between cytochrome a and the binuclear centre.

Proton translocation by cytochrome c oxidase reconstituted into proteoliposomes

Cytochrome c oxidase .inserted into proteoliposomes translocates protons with a stoichiometry of approx-, imately 0.4-0.6 H+/e- in the presence of valinomycin plus pottasium. The existance .ofsuchproton translocation is .supportedby experiments with lauryl maltoside which abolished the pulses but~~d not inhibit cyt. c binding .or oxidase turnover. Pulses with K3FeCN6 did not induce acidification further supporting vectorial proton transport by cyt ..aa3 . Upon lowering the ionic strength and pulsing with ferrocytochrome c, H+/eratios increased. This increase is attributed to scaler proton release consequent upon cyt.c-phospholipid binding. Oxygen pulses at low ionic strength however did not exhibit this large scaler increase in H+/e- ratios.A-small increase was observed upon .02 pul'sing at·low ionic strengt.h. This increase was KeN and, ,pcep sensitive and thus possibly due to a redox linked scaler deprotonation. Increases in the H+/e- ratio also occurred ifp~lses ,were performed in the presence of nonactin rather.than valinomycin. The fluorescent pH indicator pyranine was internally trapped inaa3 conta~ning "proteoliposomes. Internal alkalinization, as mon,itored by pyranine fluorescence leads to a of approx.imately 0.35 units, which is proportional to electron flux. This internal alkalinization was also DCCD sensitive, being inhibited by approximately 50%. This 50% inhibition of internal alkalinization supports the existance of vectorial proton transport.

Effects of large anphiphilic ligands upon the spectra and kinetics of cytochrome C oxidase

Cytoch ro me c oxidase (ferrocytochrome c : 02 oxidoreductase ; EC 1.9. 3.1) is the terminal enzyme in the mitochondrial electron transport chain, catalyzing the transfer of electrons from ferrocytochrome c to molecular oxygen. The effects of two large amphiphilic molecules - valinomycin and dibucaine upon the spectra of the isolated enzyme and upon the activity of both isolated enzyme and enzyme in membrane systems are investigated by using spectrophotometric and oxygen electrode techniques. The results show that both valinomycin and dibucaine change the Soret region of the speetrum and cause a partial inhibition in a concentration range higher than that in which they act as ionophores. It is concluded that both valinomycin and dibucaine binding induce a conformational change of the protein structure which modifies the spectrum of the a3 CUB centre and diminishes the rate of electron transfer between cytochrome a and the binuclear centre.

Development of Macrocyclics based Electrochemical Sensors

Electroanalytical techniques represent a class of powerful and versatile analytical method which is based on the electrical properties of a solution of the analyte when it is made part of an electrochemical cell. They offer high sensitivity, accuracy, precision and a large linear dynamic range. The cost of instrumentation is relatively low compared to other instrumental methods of analysis. Many solid state electrochemical sensors have been commercialised nowadays. Potentiometry is a very simple electroanalytical technique with extraordinary analytical capabilities. Since valinomycin was introduced as an ionophore for K+, Ion Selective Electrodes have become one of the best studied and understood analytical devices. It can be used for the determination of substances ranging from simple inorganic ions to complex organic molecules. It is a very attractive option owing to the wide range of applications and ease of the use of the instruments employed. They also possess the advantages of short response time, high selectivity and very low detection limits. Moreover, analysis by these electrodes is non-destructive and adaptable to small sample volumes. It has become a standard technique for medical researchers, biologists, geologists and environmental specialists. This thesis presents the synthesis and characterisation of five ionophores. Based on these ionophores, nine potentiometric sensors are fabricated for the determination of ions such as Pb2+, Mn2+, Ni2+, Cu2+ and Sal- ion (Salicylate ion). The electrochemical characterisation and analytical application studies of the developed sensors are also described. The thesis is divided into eight chapters

Role of CFTR and ClC-5 in Modulating Vacuolar H(+)-ATPase Activity in Kidney Proximal Tubule

Background/Aims: It has been widely accepted that chloride ions moving along chloride channels act to dissipate the electrical gradient established by the electrogenic transport of H(+) ions performed by H(+)-ATPase into subcellular vesicles. Largely known in intracellular compartments, this mechanism is also important at the plasma membrane of cells from various tissues, including kidney. The present work was performed to study the modulation of plasma membrane H(+)-ATPase by chloride channels, in particular, CFTR and ClC-5 in kidney proximal tubule. Methods and Results: Using in vivo stationary microperfusion, it was observed that ATPase-mediated HCO(3)(-) reabsorption was significantly reduced in the presence of the Cl(-) channels inhibitor NPPB. This effect was confirmed in vitro by measuring the cell pH recovery rates after a NH(4)Cl pulse in immortalized rat renal proximal tubule cells, IRPTC. In these cells, even after abolishing the membrane potential with valinomycin, ATPase activity was seen to be still dependent on Cl(-). siRNA-mediated CFTR channels and ClC-5 chloride-proton exchanger knockdown significantly reduced H(+)-ATPase activity and V-ATPase B2 subunit expression. Conclusion: These results indicate a role of chloride in modulating plasma membrane H(+)-ATPase activity in proximal tubule and suggest that both CFTR and ClC-5 modulate ATPase activity. Copyright (C) 2010 S. Karger AG, Basel

L-Proline uptake in Crithidia deanei is influenced by its endosymbiont bacterium

Crithidia deanei, a monoxenic trypanosomatid, presents an endosymbiotic bacterium in its cytoplasm. Both the protozoan and the bacterium maintain intensive metabolic exchange, resulting in an interesting model to study the coevolution of metabolisms. The relevance of L-proline for the growth of C. deanei and its transport into these cells was studied. Both the endosymbiont-containing (wild) and the endosymbiont-free protozoa (aposymbiont or cured) strains, when grown in medium supplemented with L-proline, reached higher cell densities than those grown in unsupplemented media. We biochemically characterized the uptake of L-proline in both the wild (K(m)=0.153 +/- 0.022 mM, V(max)=0.239 +/- 0.011 nmol min(-1) per 4 x 10(7) cells) and the aposymbiont strains (K(m)=0.177 +/- 0.049 mM, V(max)=0.132 +/- 0.012 nmol min(-1) per 4 x 10(7) cells). These data suggest a single type of proline transporter whose activity is upregulated by the presence of the symbiotic bacterium. Proline transport was further characterized and was found to be insensitive to the extracellular concentration of Na(+), but sensitive to K(+) and pH. The abolition of proline uptake by respiratory chain inhibitors and valinomycin indicates that the proline transport in C. deanei is dependent on the plasma membrane K(+) gradient.

Entwicklung und Charakterisierung verschiedener biomimetischer Lipidmembransysteme zur Untersuchung von Membranproteinen

In der vorliegenden Arbeit wurden zwei unterschiedliche Modellmembransysteme auf Goldelektroden zur Untersuchung von Membranproteinen entwickelt und charakterisiert. Der eine Modellmembrantyp basiert auf einer kovalent an eine Goldelektrode gebundenen binären Thiolschicht, bestehend aus 2-Mercaptoethanol und einem Thiolipid. Das 2-Mercaptoethanol dient der Reduzierung des kovalent gebundenen Lipidanteils der Submonolage um eine höhere laterale Beweglichkeit der Lipide in der Membran zu gewährleisten. Für den Aufbau der Submonolage kamen zwei Assemblierungsmethoden zur Anwendung. Membranen, die auf einer zweistufig assemblierten binären Thiolschicht aufgebaut wurden, zeigen gegenüber Membranen, die auf einer koadsorbierten Thiolschicht basieren, deutliche Vorteile in den elektrochemischen Eigenschaften. Es zeigte sich gerner, dass durch die zweistufige Assemblierung gegenüber der einstufigen Koadsorption eine deutlich bessere Kontrolle der binären Thiolschicht hinsichtlich ihrer Zusammensetzung möglich ist. An einer solchen Membran konnte erstmals die reversible Hemmung der Kanaleigenschaften der peripher an die Membran bindenden Annexin V-Mutanten (Fussionsprotein aus Annexin V und Strep-tag II) mit Streptavidin (Mutante 1) experimentell gezeigt werden. Der zweite Membrantyp wurde auf einem plasmapolymerisierten Maleinsäureanhydrid-Film aufgebaut, wobei verschiedene Strategien verfolgt wurden. Membranen die auf einem mit Decylamin funktionalisierten plasmapolymerisierten Maleinsäureanhydrid-Film aufgebaut wurden, zeigen hinsichtlich der elektrochemischen Eigenschaften im Vergleich zur elektrostatischen Anbindung (über Ca2+-Ionen) der Membran verbessert werden. Diese Membranen zeichnen sich durch eine äußerst hohe Fluidität und einen großen Submembranraum aus. Die Inkorporation des Ionencarriers Valinomycin und der transmembranen Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV der Atmungskette) in den kovalent gebundenen Ca2+-abhängigen Membrantyp ist unter Erhalt der Proteinaktivität möglich, was die Eignung dieser Membran zur Untersuchung von Membranproteinen zeigt.

New synthetic strategies to tethered bilayer lipid membranes

Tethered bilayer lipid membranes provide an efficient, stable and versatile platform for the investigation of integrated membrane proteins. However, the incorporation of large proteins, as well as of proteins with a large submembrane part is still a very critical issue and therefore, further optimisation of the system is necessary. The central element of a tBLM is a lipid bilayer. Its proximal leaflet is, at least to some extend, covalently attached to a solid support via a spacer group. The anchor lipid consists of three distinct parts, a lipid headgroup, a spacer group and an anchor. All parts together influence the final bilayer properties. In the frame of this work, the synthesis of new thiolipids for tBLMs on gold has been investigated. The aim was to obtain molecules with longer spacers in order to increase the submembrane space. The systems obtained have been characterized using SPR and EIS. The results obtained during this study are multiple. First, the synthesis of a previously synthesized architecture was successfully scaled up in an industrial lab using a new synthetic approach. The synthesis of large amounts is now feasible. Then, the synthesis of the new thiolipids was carried out taking into account the following requirements: the increase of the submembrane space by having longer ethyleneglycol spacers, the attachment of the molecules to a gold substrate via a thiol bond, and the tunability of the lateral mobility by changing the lipid headgroup. Three different synthetic strategies have been investigated. The polymeric approach did not prove to be successful, merely because of the broad molecular weight distribution. The synthesis of heterofunctionally protected oligoethyleneglycols allowed to obtain ethyleneglycol moieties with 6 and 8 units, but the tedious purification steps gave very low yields. Finally, the block by block synthesis using ethyleneglycol precursors proved to be an efficient and fast method to synthesize the target molecules. Indeed, these were obtained with very high yields, and the separation was very efficient. A whole family of new compounds was obtained, having 6, 8 and 14 ethyleneglycol units and with mono- or diphytanyl lipid headgroups. This new pathway is a very promising synthetic strategy that can be used further in the development of new compounds of the tether system. The formation of bilayers was investigated for the different thiolipids mainly by using EIS. The electrical properties of a bilayer define the quality of the membrane and allow the study of the functionality of proteins embedded in such a system. Despite multiple trials to improve the system using self assembly, Langmuir Blodgett transfer, and detergent mixed vesicles, the new polymer thiolipids did not show as high electrical properties as tBLMs reported in the literature. Nevertheless, it was possible to show that a bilayer could be obtained for the different spacer lengths. These bilayers could be formed using self assembly for the first monolayer, and two different methods for bilayer formation, namely vesicle fusion and solvent exchange. We could furthermore show functional incorporation of the ion carrier valinomycin: the selective transport of K+ ions could be demonstrated. For DPHL, it was even possible to show the functional incorporation of the ion channel gramicidin. The influence of the spacer length is translated into an increase of the spacer capacitance, which could correspond to an increase in the capacity of charge accumulation in the submembrane space. The different systems need to be further optimised to improve the electrical properties of the bilayer. Moreover, the incorporation of larger proteins, and proteins bearing submembrane parts needs to be investigated.

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.

A molecular approach towards tethered bilayer lipid membranes: synthesis and characterization of novel anchor lipids

Tethered bilayer lipid membranes (tBLMs) are a promising model system for the natural cell membrane. They consist of a lipid bilayer that is covalently coupled to a solid support via a spacer group. In this study, we developed a suitable approach to increase the submembrane space in tBLMs. The challenge is to create a membrane with a lower lipid density in order to increase the membrane fluidity, but to avoid defects that might appear due to an increase in the lateral space within the tethered monolayers. Therefore, various synthetic strategies and different monolayer preparation techniques were examined. Synthetical attempts to achieve a large ion reservoir were made in two directions: increasing the spacer length of the tether lipids and increasing the lateral distribution of the lipids in the monolayer. The first resulted in the synthesis of a small library of tether lipids (DPTT, DPHT and DPOT) characterized by 1H and 13C NMR, FD-MS, ATR, DSC and TGA. The synthetic strategy for their preparation includes synthesis of precursor with a double bond anchor that can be easily modified for different substrates (e.g. metal and metaloxide). Here, the double bond was modified into a thiol group suitable for gold surface. Another approach towards the preparation of homogeneous monolayers with decreased two-dimensional packing density was the synthesis of two novel anchor lipids: DPHDL and DDPTT. DPHDL is “self-diluted” tether lipid containing two lipoic anchor moieties. DDPTT has an extended lipophylic part that should lead to the preparation of diluted, leakage free proximal layers that will facilitate the completion of the bilayer. Our tool-box of tether lipids was completed with two fluorescent labeled lipid precursors with respectively one and two phytanyl chains in the hydrophobic region and a dansyl group as a fluorophore. The use of such fluorescently marked lipids is supposed to give additional information for the lipid distribution on the air-water interface. The Langmuir film balance was used to investigate the monolayer properties of four of the synthesized thiolated anchor lipids. The packing density and mixing behaviour were examined. The results have shown that mixing anchor with free lipids can homogeneously dilute the anchor lipid monolayers. Moreover, an increase in the hydrophylicity (PEG chain length) of the anchor lipids leads to a higher packing density. A decrease in the temperature results in a similar trend. However, increasing the number of phytanyl chains per lipid molecule is shown to decrease the packing density. LB-monolayers based on pure and mixed lipids in different ratio and transfer pressure were tested to form tBLMs with diluted inner layers. A combination of the LB-monolayer transfer with the solvent exchange method accomplished successfully the formation of tBLMs based on pure DPOT. Some preliminary investigations of the electrical sealing properties and protein incorporation of self-assembled DPOT and DDPTT-based tBLMs were conducted. The bilayer formation performed by solvent exchange resulted in membranes with high resistances and low capacitances. The appearance of space beneath the membrane is clearly visible in the impedance spectra expressed by a second RC element. The latter brings the conclusion that the longer spacer in DPOT and the bigger lateral space between the DDPTT molecules in the investigated systems essentially influence the electrical parameters of the membrane. Finally, we could show the functional incorporation of the small ion carrier valinomycin in both types of membranes.

Biomimese biologischer Membranen: Konzeptionierung, Synthese und biophysikalische Charakterisierung einer Hierarchie festkörpergestützter Mimikry biologischer Membranen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei neue Modelle zur funktionellen Mimiese biologischer Membranen im Bereich der Bionanotechnologie entwickelt. Um den Rahmen der notwendigen Faktoren und Komponenten für biomimetische Membranmodelle abzustecken, wurde das biologische Vorbild im Bezug auf Zusammensetzung, Organisation und Funktion analysiert. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse erlauben das Erreichen von biologisch relevanten Membranwiderständen im Bereich von mehreren MOhm cm2 und eine gute lokale Fluidität. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Hierachie unterschiedlich stark von der Festkörperoberfläche entkoppelter Membranen zur Vergrößerung des submembranen Raumes. Diese Ziele konnten realisiert werden. Das auf archaealen Etherlipiden basierende DPTL-System wurde analog dem biologischen Vorbild stereoselektiv synthetisiert und ist in der Lage die Membran bei maximaler Elongation des TEG-Spacers mit mehr als 2 nm von der Oberfläche zu entkoppeln. Die erzielten Wiederstände liegen im hohen ein- bis zweistelligen MOhm-Bereich, die Kapazität entspricht mit 0,5 µF cm-2 ebenfalls dem Wert biologischer Membranen. Die Membraneigenschaften wurden mit Hilfe von SPS, EIS, IR-Spektroskopie, QCM, AFM und Kontaktwinkelmessungen charakterisiert. Die Funktionalität und lokale Fluidität der DPTL-Membran konnte anhand des Valinomycin vermittelten K+-Transports über die Membran gezeigt werden. Fluide Elektroden oder laterale Verdünnung mit TEGL erlauben den Einbau größerer Ionenkanäle. Lipo-Glycopolymere (LGP) mit unterschiedlichen Kettenlängen wurden mit Hilfe der kontrollierten radikalischen Polymerisation mit einer PD < 1.2 synthetisiert. Es zeigte sich, daß die Vororientierung der LGPs auf dem LB-Trog, gefolgt von einem LB-Übertrag auf einen funktionalisierten Träger mit photoreaktivem SAM, nach Belichten des Systems zu einer verlässlichen kovalenten Anbindung der supramolekularen LGP-Architektur führt. Da die Lipo-Glycopolymerketten am Glycopolymerterminus nur mit oberflächennahen Repetiereinheiten an die photoaktivierte Oberfläche binden, sind sie in der Lage Oberflächenrauhigkeiten des Festkörpersubstrates auszugleichen. Die photochemische Immobilisierung von funktionell orientierten supramolekularen LGP-Architekturen auf Goldoberflächen resultiert in tBLMs mit großen vertikalen Enkopplungen der Membran von der Festkörperoberfläche (>8 nm). Der funktionelle Ionentransport von Kaliumionen durch Valinomycin zeigt eine ausreichende lokale Fluidität der Membran die mit einem guten Membranwiderstand (mehrere MOhm) kombiniert ist. Große Membran-Oberflächenentkopplungen konnten mit Hilfe plasmapolymerisierter elektrophiler Polymere erreicht werden. Filmdicken von 50 nm sind mit homogener Oberfläche und Rauhigkeiten im Bereich von Nanometern möglich. Das System zeigt interessante fluide Eigenschaften mit guten Erholungsraten bei FRAP-Experimenten (Diffusionskonstanten von etwa 17 mikro m2 s-1). Die elektrischen Eigenschaften liegen mit Widerständen von wenigen kOhm unterhalb der für gute Membranmimikrie notwendigen Werte. Erstmalig konnte gezeigt werden, daß mit Hilfe dieser Methode inerte Polymere/Plastikträger (zum Beispiel Polypropylen und TOPAS) in effizienter Weise kovalent mit reaktiven Polymeroberflächen modifiziert werden können (Anwendung als DNA-Chip ist beschrieben).