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Main Title: Partitioning of membrane components in adhering vesicles
Translated Title: Partitionierung von Membrankomponenten in adhärenten Vesikeln
Author(s): Steinkühler, Jan
Advisor(s): Dimova, Rumiana
Referee(s): Hildebrandt, Peter
Discher, Dennis
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Biological membranes are segmented into functional compartments of different length and time scales. Here we study model systems which mimic certain aspects of these multiscale phaenomena. We introduce a novel experimental setup for modulating adhesion of giant unilamellar vesicles to a planar substrate. Adhesion is induced by application of an external potential to a transparent ITO electrode (the substrate), which enables single-vesicle studies. We demonstrate tuneable and reversible adhesion of negatively charged vesicles. The adhesion energy at different potentials is calculated from the vesicle shape assessed with confocal microscopy. Two approaches for these estimates are employed: one based on the whole contour of the vesicle and a second one based on the contact curvature of the membrane in the vicinity of the substrate. Both approaches agree well with each other and show that the adhered vesicles are in the weak adhesion regime for the range of explored potentials. Using fluorescence quenching assays, we detect that, in the adhering membrane segment, only the outer bilayer leaflet of the vesicle is depleted of negatively charged fluorescent lipids, while the inner leaflet remains unaffected. We show that depletion of negatively charged lipids is consistent with solutions obtained by Poisson Boltzmann theory which accounts for lipid mobility. We also show that lipid diffusion is not significantly affected in the adhering membrane segment adhesion zone in the case of fully miscible membrane components. We then extend this method to the study of multicomponent lipid membranes, which exhibited domains due to a miscibility gap in the liquid phase, as a simple biomimetic model of a heterogeneous membrane. Upon adhesion, we find complex remodelling of membrane composition and morphology, depending on the initial phase of the membrane. Particularly we find a previously undescribed budding transition in the contact line of adhering vesicles. Initially phase separated vesicles are robust against budding transitions in the explored adhesion energies. Only under conditions where membrane components are fully miscible, buds appear. We link these buds to lipid flows between the two membrane compartments. Finally, we study specific adhesion by membrane bound proteins. By natural reconstitution of the membrane protein CD47 into giant plasma membrane vesicles, we can study adhesion complexes. This model is suitable to extract two membrane proteins, which are difficult to assess with established methods.
Biologische Membranen sind in funktionale Kompartimente von verschiedenen Zeit- und Längenskalen eingeteilt. In dieser Arbeit untersuchen wir Modellsysteme, welche verschiedene Skalen von Biomembranen abbilden. Dazu haben wir eine neue Methode entwickelt, um die Adhäsionsenergie von „Giant Unilamellar Vesicles“ zu einer ebenen Oberfläche präzise einzustellen. Adhäsion wird durch ein externes elektrisches Potential induziert, welches an eine transparente ITO Elektrode angelegt wird. So wird die Untersuchung von Adhäsionsphänomenen an einzelnen Vesikeln möglich. Wir zeigen, dass so reversible und einstellbare Adhäsion von elektrisch negativ geladenen Vesikeln möglich ist. Die Abhängigkeit von Adhäsionsenergie zu angelegtem Potential haben wir auf zwei verschiedenen Wegen bestimmt. Sowohl eine Methode, die die Morphologie von adhärenten Vesikeln berücksichtigt, als auch die Bestimmung der Adhäsionsenergie durch die Membrankrümmung in der Nähe der Kontaktlinie liefern übereinstimmende Ergebnisse. Die gewonnenen Daten zeigen, dass sich die Vesikel im „weak adhesion“ Regime befinden. Durch Fluoreszenzauslöschungs-Experimente zeigen wir, dass im adhärierenden Membransegment nur die äußere Membranhälfte von negativ geladenen Lipiden verarmt wird, während die innere Membranhälfte unbeeinflusst bleibt. Die Verarmung von negativ geladenen Lipiden ist konsistent mit einer Possion-Boltzmann-Theorie, welche Lipidmobilität explizit berücksichtigt. Des Weiteren zeigen wir, dass die Lipiddiffusion in beiden Kompartimenten nicht beeinträchtigt ist, solange die Membrankomponenten ideal mischbar sind. Im Folgenden betrachten wir Multikomponenten-Vesikel, welche Domänen, hervorgerufen durch eine Mischungslücke in der flüssigen Phase, zeigen. In Abhängigkeit von der Initialen Membranphase führt die Adhäsion von solchen Vesikeln zur komplexen Remodellierung von Membranzusammensetzung und Morphologie. Insbesondere beschreiben wir bisher unbekannte Membranauswölbungen („Buds“) in der Kontaktlinie von adhärenten Vesikeln. Wenn phasenseparierte Vesikeln adhärieren, erscheinen zunächst keine Buds. Nur unter Bedingungen, in denen die Membrankomponenten vollständig verflüssigt werden, erscheinen Buds. Wir diskutieren einen möglichen Mechanismus, der auf Lipidflüsse zwischen den beiden Segmenten basiert. Abschließend untersuchen wir die spezifische Adhäsion von Vesikeln durch Membranproteine. Wir stellen fest, dass natürlich rekonstituiertes CD47 in „Giant Plasma Membrane Vesicles“ Adhäsionskomplexe bilden kann. Dieses Modell ermöglicht es, die zweidimensionale Bindungskonstante zu bestimmen, welche mit etablierten Methoden schwierig messbar ist.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6136
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5701
Exam Date: 30-Mar-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 30-Jan-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::541 Physikalische Chemie
Subject(s): biomembranes
GUV
membrane adhesion
Biomembran
Membranadhäsion
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