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Main Title: Effects of bilayer asymmetry on nanotube formation and particle engulfment by biomembranes and vesicles
Translated Title: Auswirkungen der Doppelschicht-Asymmetrie auf Nanoröhrchenbildung und Teilcheneinschluss durch Biomembranen und Vesikeln
Author(s): Agudo Canalejo, Jaime
Advisor(s): Lipowsky, Reinhard
Referee(s): Lipowsky, Reinhard
Klapp, Sabine
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Bilayer membranes are an essential component of biological cells, functioning as robust but flexible walls between cellular compartments that can remodel in response to stimuli. Interestingly, many of these remodeling processes can be mimicked in minimal model systems using lipid or polymer vesicles. The goal of this thesis will be to understand two of these processes from a theoretical perspective. First, we examine the spontaneous formation of nanotubes in giant vesicles as a consequence of bilayer asymmetry. In connection with experimental results, and using numerical energy minimization of a continuum membrane model, we show that the nanotubes appear via a nucleation and growth mechanism that reflects two competing kinetic pathways as the vesicles are osmotically deflated. The first pathway nucleates new isolated buds, whereas the second pathway makes the isolated buds grow into necklace-like tubes. Furthermore, we show that the necklace-like tubes undergo a novel shape transformation into cylindrical tubes once they reach a certain critical tube length, for which we find analytical expressions that are consistent with the experimental results. Second, we study the engulfment of adhesive nanoparticles by vesicles and biomembranes. We show that the engulfment behavior depends strongly on the asymmetry of the bilayer, as quantitatively described by the membrane spontaneous curvature. We derive analytical expressions for the instabilities of the free and the completely engulfed states of the particle, which depend on the particle size, adhesive strength, bending rigidity and spontaneous curvature. For model membranes with uniform composition, the two instabilities lead to two critical particle sizes that determine four distinct engulfment regimes. Our analytical expressions can be used to extract the membrane spontaneous curvature and the particle–membrane adhesive strength from experimental or simulation studies. In order to address the process of endocytosis in cells, we then consider adhesion-induced segregation of membrane components. The asymmetric protein coat formed during clathrin-dependent endocytosis is modeled as a bound membrane segment that has a large spontaneous curvature compared to the unbound one. We derive explicit expressions for the engulfment rate and the uptake of nanoparticles by cells, which provide a quantitative fit to experimental data for clathrin-dependent endocytosis of gold nanoparticles. Finally, we examine the engulfment of nanoparticles by membranes of complex shape, and show that nanoparticles can act as local probes of the membrane curvature. We find that a single vesicle in contact with many nanoparticles can display up to ten distinct engulfment patterns, and describe in detail the morphological transitions between these patterns, which are directly accessible to experiment.
Lipid-Doppelschichten (‘lipid bilayers’) sind ein essenzieller Bestandteil von biologischen Zellen, sie dienen als robuste, aber gleichzeitig flexible Trennwände zwischen zellulären Kompartimenten, die unter dem Einfluss von äusseren Stimuli umgebaut werden. Interessanterweise können viele dieser Umbauprozesse in relativ einfachen Modellsystemen aus Lipid- oder Polymer-Membranen untersucht werden. In dieser Arbeit geht es um das theoretische Verständnis zweier dieser Umbauprozesse, nämlich der Bildung von Membran-Nanoröhrchen und des Membran-Einschlusses (‘engulfment’) von festen Nanoteilchen. Zuerst betrachten wir die spontane Bildung von Nanoröhrchen in Riesenvesikeln (‘giant vesicles’) als Folge einer relativ großen spontanen Krümmung, die die Asymmetrie zwischen den beiden Monoschichten (‘leaflets’) der Vesikelmembranen beschreibt. Ausgehend von experimentellen Resultaten, bei denen die Riesenvesikel osmotisch geschrumpft wurden, zeigen wir mittels Energieminimierung, dass Nanoröhrchen durch einen Keimbildungs- und Wachstumsprozess entstehen, der auf zwei kompetitiven kinetischen Pfaden beruht. Der erste Pfad führt zur Bildung von einzelnen neuen Membran-Knospen (‘buds’), die dann mittels des zweiten kinetischen Pfades zu Perlenketten verlängert werden. Wenn diese Perlenketten eine kritische Länge erreichen, wandeln sie sich in zylindrische Nanoröhrchen um. Für diese neuartige Form-Transformation wurde eine analytische Theorie entwickelt, die im Einklang mit den bisherigen experimentellen Beobachtungen steht und quantitative Vorhersagen für die kritische Röhrchenlänge liefert. Anschließend untersuchen wir den Einschluss von adhärenten Nanoteilchen durch Vesikel und biologische Membranen. Wir zeigen, dass das Einschlussverhalten stark von der spontanen Krümmung der Membranen abhängt. Wir leiten analytische Ausdrücke für die Instabilitäten von freien und komplett eingeschlossenen Zuständen der Nanoteilchen ab und bestimmen deren Abhängigkeit von Partikelgröße, Adhäsionsstärke, Biegesteifigkeit und spontaner Krümmung. Für Modellmembranen mit homogener Zusammensetzung erhalten wir zwei kritische Teilchengrößen, aus denen sich vier verschieden Parameterbereiche für das Einschlussverhalten ergeben. Die analytischen Ausdrücke können verwendet werden, um die spontane Krümmung und die Adhäsionsstärke aus Experimenten und/oder Simulationen abzuleiten. Um im Weiteren den Prozess der Endozytose in Zellen zu untersuchen, betrachten wir die durch Adhäsion induzierte Segregation von Membrankomponenten, die auf eine relativ große spontane Krümmung des am Teilchen gebundenen Membransegments führen kann. Wir leiten explizite Ausdrücke für die Einschlussrate und die zelluläre Aufnahme der Nanoteilchen ab. Wenn wir diese theoretischen Ergebnisse mit experimentellen Daten zur Clathrin-abhängigen Endozytose von Gold-Nanoteilchen vergleichen, so erhalten wir eine quantitative Beschreibung der beobachteten Größenabhängigkeit dieses Prozesses. Abschließend untersuchen wir Membranen und Vesikeln von beliebiger Form, die mit vielen Nanoteilchen wechselwirken. Wir zeigen, dass diese Teilchen als Sonde für die lokale Membrankrümmung verwendet werden können. Dabei stellt sich heraus, dass eine Vesikel, die sich in einer Dispersion von identischen Nanoteilchen befindet, bis zu zehn verschiedene Einschlussmuster aufweisen kann. Wir sagen morphologische Übergänge zwischen diesen Mustern voraus, die auch experimentell zugänglich sein sollten.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5385
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5060
Exam Date: 15-Feb-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 23-Mar-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
Subject(s): nanoparticles
nanotubes
membranes
vesicles
spontaneous curvature
Nanoteilchen
Nanoröhrchen
Membranen
Vesikeln
spontane Krümmung
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