Authors:	Schiller, Stefan
Title:	Biomimese biologischer Membranen: Konzeptionierung, Synthese und biophysikalische Charakterisierung einer Hierarchie festkörpergestützter Mimikry biologischer Membranen
Online publication date:	25-Feb-2008
Year of first publication:	2008
Language:	german
Abstract:	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). This thesis comprises the development of three new models aiming to mimic the biological cytoplasma membrane in the field of bionanotechnology. In order to define the parameters necessary to design the appropriate building blocks and preparation methods for biomimetic membranes an extended analysis of the literature was conducted. The resulting membranes resulted in bioequivalent membranes with a membrane impedance of several MOhm cm2 capacities below 1 µF cm-2 and good local fluidity. Further hierarchical models (in terms of the surface decoupling distance) were developed. First an archaea based isoprenoidic lipid (DPTL) was synthesized and allowed membrane-solid substrate surface decoupling of 2 nm. The resulting impedances were above 10 MOhm cm2 while the capacity was 0,5 µF cm-2 equivalent to biological membranes. Functional studies with valinomycin as ion carrier showed excellent membrane properties and local fluidity. The system was characterized using SPS, EIS, IR-Spectroscopy, QCM-D, AFM and contact angle measurements. The lateral dilution with TEGL spacer molecules or the use of fluid metal electrodes allowed the incorporation of larger membrane proteins. Lipo-Glycopolymers (LGP) with different chain length were synthesized using controlled radical polymerization with PD < 1.2. Orienting LGPs at the air-water interface using an LB-trough, followed by LB-transfer onto a photoreactive SAMs allowed efficient covalent immobilization of the supramolecular architecture. This method allowed to level out uneven surface morphologies yielding large and stable membrane-surface decoupling (>8 nm). The functional potassium ion transport facilitated by valinomycin showed sufficient local fluidity and good membrane impedance of several MOhm cm2. Large membrane-surface decoupling was achieved via plasmapolymerized electrophilic polymers. Homogeneous film thicknesses of more than 50 nm could be realized. The resulting tBLM systems showed good fluidity analyzed by FRAP experiments (diffusion constant 17 micro m2 s-1). The electrical properties were limited to several kOhm cm2 below the values of insulating biological membranes. For the first time it was shown that pulsed plasma polymerization can be used to functionalize otherwise inert polymer/plastic samples with reactive (electrophilic) functional polymeric add layers (on polypropylene and TOPAS as substrate). Applications of these modified substrates as DNA-Chip/sensor are described.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
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-4030
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-15918
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen