Authors:	Awizio, Ann-Katrin
Title:	From lipid bilayers to synaptic vesicles: atomic force microscopy on lipid-based systems
Online publication date:	26-Nov-2007
Year of first publication:	2007
Language:	english
Abstract:	The aim of this thesis was to apply the techniques of the atomic force microscope (AFM) to biological samples, namely lipid-based systems. To this end several systems with biological relevance based on self-assembly, such as a solid-supported membrane (SSM) based sensor for transport proteins, a bilayer of the natural lipid extract from an archaebacterium, and synaptic vesicles, were investigated by the AFM. For the characterization of transport proteins with SSM-sensors proteoliposomes are adsorbed that contain the analyte (transport protein). However the forces governing bilayer-bilayer interactions in solution should be repulsive under physiological conditions. I investigated the nature of the interaction forces with AFM force spectroscopy by mimicking the adsorbing proteoliposome with a cantilever tip, which was functionalized with charged alkane thiols. The nature of the interaction is indeed repulsive, but the lipid layers assemble in stacks on the SSM, which expose their unfavourable edges to the medium. I propose a model by which the proteoliposomes interact with these edges and fuse with the bilayer stacks, so forming a uniform layer on the SSM. Furthermore I characterized freestanding bilayers from a synthetic phospholipid with a phase transition at 41°C and from a natural lipid extract of the archaebacterium Methanococcus jannaschii. The synthetic lipid is in the gel-phase at room temperature and changes to the fluid phase when heated to 50°C. The bilayer of the lipid extract shows no phase transition when heated from room temperature to the growth temperature (~ 50°C) of the archeon. Synaptic vesicles are the containers of neurotransmitter in nerve cells and the synapsins are a family of extrinsic membrane proteins, that are associated with them, and believed to control the synaptic vesicle cycle. I used AFM imaging and force spectroscopy together with dynamic light scattering to investigate the influence of synapsin I on synaptic vesicles. To this end I used native, untreated synaptic vesicles and compared them to synapsin-depleted synaptic vesicles. Synapsin-depleted vesicles were larger in size and showed a higher tendency to aggregate compared to native vesicles, although their mechanical properties were alike. I also measured the aggregation kinetics of synaptic vesicles induced by synapsin I and found that the addition of synapsin I promotes a rapid aggregation of synaptic vesicles. The data indicate that synapsin I affects the stability and the aggregation state of synaptic vesicles, and confirm the physiological role of synapsins in the assembly and regulation of synaptic vesicle pools within nerve cells. Das Ziel dieser Dissertation war die Anwendung von Techniken der Rasterkraftmikroskpie (RKM) zur Charakterisierung von Lipidsystemen. Die untersuchten Systeme waren: ein Sensor für Transporterproteine, dessen Hauptkomponente eine Festkörper-gestützte Membran ist, eine Lipidmembran vom natürlichen Lipidextract eines Archaebakteriums und synaptische Vesikel. Für die Charakterisierung von Transportproteinen werden Liposomen, die den Analyt (Transportprotein) enthalten, an die Membran des Sensors adsorbiert. Allerdings sollten die Wechselwirkungskräfte zwischen zwei Lipidmembranen in wässriger Lösung repulsiv sein. Die Art der Wechselwirkungskräfte wurde mit RKM-Kraftspektroskopie untersucht, indem die adsorbierenden Proteoliposomen mit einem Kantilever imitiert wurden, der mit Alkanthiolen funktionalisiert wurde. Die Wechselwirkung war tatsächlich repulsiv, die Lipidmembranen bilden jedoch Stapel von mehreren Doppelschichten auf der Festkörper-gestützten Membran des Sensors. Hier wird ein Model vorgeschlagen, in dem die Proteoliposomen mit den energetisch ungünstigen Seitenrändern der Lipidstapel interagieren und eine einheitliche Schicht auf der Sensormembran ausbilden. Ausserdem wurden frei stehende Lipiddoppelschichten von einem synthetischen Phospholipid, mit einer Phasenübergangstemperatur von 41°C, und vom Lipidextract des Archaebakteriums Methanococcus jannaschii charakterisiert. Die Doppelschicht des synthetischen Lipids befindet sich bei Raumtemperatur in der Gelphase und geht in die flüssig-kristalline Phase über bei Erhitzung auf 50°C. Die Membran des Extraktes zeigte keinen Phasenübergang als sie von Raumtemperatur auf die Wachstumstemperatur (~ 50°C) des Archeon erhitzt wurde. Synaptische Vesikel transportieren Neurotransmitter in Nervenzellen und besitzen als extrinsische Membranproteine u. a. die Synapsine, die den Zyklus der synaptischen Vesikel während der Singalübertragung zwischen Nervenzellen steuern. Der Einfluss von Synapsin I auf synaptische Vesikel wurde mit RKM Abbildungen, Kraftspektroskopie und dynamischer Lichtstreuung untersucht. Dafür wurden native synaptische Vesikel mit synaptischen Vesikeln, von denen Synapsin entfernt wurde, verglichen. Synaptische Vesikel ohne Synapsin waren größer und zeigten eine gesteigerte Tendenz zur Aggregation im Vergleich zu nativen synaptischen Vesikeln, während bei den mechanischen Eigenschaften keine Unterschiede zu erkennen waren. Zusätzlich wurde die Aggregationskinetik von synaptischen Vesikeln in Abhängigkeit von Synapsin I gemessen. Die Zugabe von Synapsin I führte zu einer sofortigen Aggregation der synaptischen Vesikel. Die Ergebnisse zeigen, dass Synapsin I die Stabilität und das Aggregationsverhalten von synaptischen Vesikeln beeinflusst und bestätigen die physiologische Rolle von Synapsinen bei der Bildung und Regulation der Reservoirs von synaptischen Vesikeln innerhalb der Nervenzellen.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1694
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-14718
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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