Introducing N-heterocyclic carbene-based self-assembled monolayers into biomimetic membranes

Abstract

Alterations in membrane functions are associated with a wide range of human diseases such as cancer or neurogenerative diseases. Due to their complexity in structure and function of cell membranes, biomimetic model systems have been created that preserve the basic structure of the lipid bilayer but simplify the system so that the roles of the individual components and isolated processes can be assessed. Artificial membranes find applications in various scientific fields such as catalysis, synthesis of new materials, biopharmaceutics, drug delivery, antimicrobial activity or the design of bioelectronic devices.This work aims toward the design, synthesis and analysis of N-heterocyclic carbene (NHC)-based tethered bilayer lipid membranes (tBLM) on gold substrates. Compared to current tethered lipid bilayers, which have well known disadvantages regarding stability, bilayer mobility and applicability to integrate membrane proteins, NHC-based lipid analogues provide a new platform of tethered bilayer lipid membranes. Using NHCs as anchor groups allows the formation of self-assembling monolayers (SAMs), with an optimized surface density and higher mobility compared to thiol-based systems. The formation of the SAM is pursued applying a mild method using triflate precursors without the need of inert conditions and strong bases to immobilize NHCs on the gold surface. Optimization of the surface density is realized by the incorporation of NHC-based spacer molecules, different NHC-systems (imidazolium- or benzimidazolium) with varying N,N-disubstitution or multidentate anchor groups. Optical and electrochemical read-outs via electrochemical impedance spectroscopy (EIS) using NHC-based tBLMs are presented and compared with current thiol-tethered lipid bilayers.To prove the applicability of these NHC-based tBLMs, a potassium-ion transporting nanopore, valinomycin, is incorporated in the synthesized bilayers and probed to record the activity of a single ion-specific transporter. Additional studies using NHC-based bilayer systems with a range of membrane proteins could enhance the field of bioelectronics.

Veränderungen der Membranfunktionen sind mit einer Vielzahl menschlicher Erkrankungen wie Krebs oder neurogenerativen Erkrankungen verbunden. Aufgrund der Komplexität der Struktur und Funktionsweise von Zellmembranen wurden biomimetische Modellsysteme geschaffen, die die Grundstruktur der Lipiddoppelschicht bewahren, aber das System vereinfachen, sodass die Rolle der einzelnen Komponenten und isolierte Prozesse betrachtet werden können. Künstliche Membranen finden Anwendung in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen wie Katalyse, Synthese neuer Materialien, Biopharmazeutika, Arzneimittelabgabe, antimikrobielle Aktivität oder Design bioelektronischer Geräte. Diese Arbeit hat das Ziel, oberflächenverankerte Lipidmembranen (tBLMs) auf Goldsubstraten basierend auf N-heterocyclischen Carbenen (NHCs) zu designen und synthetisieren. Verglichen mit literaturbekannten Doppelschicht-Systemen, die bekannte Nachteile bezüglich Stabilität, Mobilität und Probleme bei der Anwendung haben, bieten NHC-basierte Lipid-Analoga eine neue Plattform für oberflächenverankerte Lipid Membranen. Die Verwendung von NHCs als Ankergruppen ermöglicht die Bildung von selbstorganisierenden Monoschichten (SAMs) mit optimierter Oberflächendichte und höherer Mobilität verglichen mit Thiol-basierten Systemen. Die Bildung der SAMs wird mit einem milden Verfahren realisiert, bei dem Triflat-NHC-Vorstufen auf der Goldoberfläche immobilisiert werden. Eine Optimierung derOberflächendichte wird durch den Einbau von NHC-basierten Spacermolekülen, unterschiedlichen NHC-Systemen (Imidazol- oder Benzimidazol-basiert) mit variierender N,N-Disubstitution oder mehrzähnigen Ankergruppen realisiert. Optische und elektrochemische Auslesungen mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) unter Verwendung von NHC-basierten tBLMs werden vorgestellt und mit aktuellen Thiolat-gebundenen Lipiddoppelschichten verglichen.Um die Anwendbarkeit dieser NHC-basierten tBLMs zu zeigen, wird eine Kaliumionen-transportierende Nanopore, Valinomycin, in die synthetisierten Doppelschichten eingebaut und analysiert, um die Aktivität eines einzelnen Ionentransporters aufzuzeichnen. Zusätzliche Studien unter Verwendung von NHC-basierten Doppelschichtsystemen mit einer Reihe von Membranproteinen könnten das Gebiet der Bioelektronik erweitern.