Authors:	Reisinger-Friebis, Annette
Title:	Photofixierung von Lipidmembranen aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen
Online publication date:	5-May-2006
Year of first publication:	2006
Language:	german
Abstract:	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. The formation and characterization of a solid-supported biomimetic membrane consisting of glycolipopolymers on gold surfaces was investigated. The preparation on gold provides the oportunity to measure electrical properties with electrical impedance spectroscopy. The direct binding of the glycolipopolymer-molecules (GLP) to the gold surface is not possible, therefore the molecules were covalently bonded to the surface via photoreactive molecules. Two different tether systems were investigated; one thio-polyethyleneglycol (PEG) and a mixture of two alkanthiols (1-thiohexanol and bis-(aminododecyl)-disulfid. The monolayers consisting of Thio-PEG showed a big variation in layer thicknesses due to the possibility of a various conformations and the impossibility of a regular assembly. The alkanethiol-mixture turned out to be the ideal tether system for the GLP molecules. GLP molecules were preoriented at the air-water interface and subsequently transferred to the solid substrate. After this transfer the covalent binding was established via irradiation by activating the photoreactive 5-azido-2-nitro-benzoic acid chloride. The Langmuir-Blodgett Transfer and the photochemical attachment of the GLP-molecules on the thio-PEG layers showed properties comparable to lipid monolayers, however the lipids were not closely packed. It was shown that tethering molecules should lead to regular assemblies on the gold surface. This condition is best achieved when using alkanethiols. Terminally functionalized alkanethiols have to be diluted with not functionalized alkanethiols to prevent side reactions. The GLP can be arranged at the air-water interface due to their amphiphilic character. The Langmuir-Blodgett Transfer results in a densly packed monolayer on the substrates. The layers have to be dried bevore photochemical attachment through irradiation with UV-light. The photochemical attachment of GLP via 5-azido-2-nitro-benzoic acid chloride was achieved for the first time on gold substrates. The investigations were carried out on a Copolymer and two different Homopolymers (Ho5900/Ho9000). The molecular character of the polymers leaded to different properties of the monolayers. The Copolymer-layers showed irregular layer thickness as well as irregular impedance data. These results can be explained by regarding the molecular structure of the Copolymers. In contrast the binding of the Homopolymers resulted in densly packed monolayers. SPR and EIS measurements proved the photochemically covalent binding of the Homopolymers. The impedance measurements are comparable to those of ideal model membranes. The succesful incorporation of Valinomycin could be demonstrated. Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) measurements showed homogenous but non fluid layers. To improve the fluidity according to the properties of the biological membranes, the photochemically attached anchor-GLP-molecules were mixt with with free lipids. The 50:50mol% mixture turned out to be homogenous and flourescence recovery in FRAP measurements could be shown. This may be explained by lateral diffusion of free lipids in the membrane. The incorporation of Valinomycin can again be demonstrated. The results confirm, that the presented photochemical attachment of glycolipopolyer-molecules to gold surfaces offers new possibilities in model membrane systems.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3528
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-9930
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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