Bio-mimicking membranes : Electrical properties and comparison of mesoscopic vs.single-molecule protein interactions

Abstract

Cell membranes are a unique case of solid-liquid interfaces and are the basis of cellular life. Cell interaction is mostly done by proteins incorporated in a fluid bilayer lipid cell membrane. Non-specific interaction and specific binding are the basis of trans-cell communication. Surface proteins are also often the weak points used by viruses and bacteria to attack cells. Even after decades of research, a discrepancy between protein-based cell interaction and direct protein interaction can be observed. Mimicking the complexity of cellular surfaces poses challenges which need solutions for areas like antibiotics research.In this thesis, three different aspects of cell surfaces are looked at: Firstly, how redox-active lipid heads allow for an in-plane electron transport, suggesting a more directed role in the electron transport chain. Dependency on fluidity and distance between redox-active lipid head centers play a vital role in sustaining a measurable current.Secondly, Protein interactions with lipid surfaces have been hard to mimic correctly. Bilayer lipid membranes by their very nature are very sensitive to disruption, so a stable system needs to be implemented to reliably measure protein-protein interaction on lipid bilayers. For this, a SFA setup was adapted to have two opposing gold surfaces, thus allowing for established gold surface chemistry. With this, tethered bilayer lipid membranes can be used to create a sturdy membrane. The SFA setup additionally allows to manipulate both protein incubated lipid membrane surfaces in close proximity to each other and measure Force-Distance curves. This, in combination with more complex surface compositions by also incorporating glycocalyx proteins, provides a closer mimic how cells interact in nature. Finally, a tangential topic is examined in more detail: How does charge regulation work in a narrow, charged space? While this situation occurs frequently in cell-cell interactions between lipid layers, this question is crucial for many other industrial processes, such as batteries or stress corrosion. Therefore, a simplified SFA (Surface Forces Apparatus) setup was used to establish broader comparability: Various ion solutions can be measured between two SFA surfaces. Additionally, the gold surface on one side allows for the application of different voltages, thus inducing ion migration and measuring distance changes accordingly. High-speed recording with a pixel-by-pixel analysis makes the distance change of ion migration visible.

Zellmembranen sind ein besonderer Fall von Fest-Fluessig-Grenzflaechen und bilden die buchstaebliche Grundlage des zellulaeren Lebens. Die Zellinteraktion erfolgt hauptsaechlich durch Proteine, die in eine fluessige Doppelschicht-Lipidzellmembran eingebaut sind. Unspezifische Interaktion, spezifische Bindung sind die Grundlage der transzellulaeren Kommunikation. Oberflaechenproteine sind auch oft die Schwachstellen, die von Viren und Bakterien genutzt werden, um Zellen anzugreifen. Auch nach Jahrzehnten der Forschung lässt sich eine Diskrepanz zwischen proteinbasierter Zellinteraktion und direkter Proteininteraktion beobachten. Die Nachahmung der Komplexität von Zelloberflaechen stellt Herausforderungen dar, die Lösungen für Bereiche wie die Antibiotikaforschung erfordern.In dieser Arbeit werden drei unterschiedliche Aspekte von Zelloberflaechen behandelt:Erstens, wie redoxaktive Lipidkoepfe einen Elektronentransport in der Ebene ermoeglichen, was auf eine gerichtetere Rolle in der Elektronentransportkette hindeutet. Die Abhängigkeit von Fluiditaet und Abstand zwischen redoxaktiven Lipidkopfzentren spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung eines messbaren Stroms.Zweitens ist es schwierig, die Proteininteraktion auf Lipidoberflächen korrekt nachzuahmen. Doppelschicht-Lipidmembranen sind von Natur aus sehr empfindlich gegenüber Stoerungen, daher muss ein stabiles System implementiert werden, um die Protein-Protein-Wechselwirkung auf Lipiddoppelschichten zuverlaessig zu messen. Zu diesem Zweck wurde ein SFA-Aufbau so angepasst, dass er zwei gegenüberliegende Goldoberflächen aufweist, wodurch eine etablierte Goldoberflaechenchemie ermoeglicht wird. Damit können angebundene Bililayer-Lipidmembranen verwendet werden, um eine stabile Membran zu schaffen. Der SFA-Aufbau ermöglicht zusaetzlich, beide Protein-inkubierten Lipidmembranoberflaechen in unmittelbarer Naehe zueinander zu manipulieren und Kraft-Abstands-Kurven zu messen. Dies ermoeglicht in Kombination mit komplexeren Oberflaechenzusammensetzungen durch den Einbau von Glykokalyx-Proteinen eine genauere Nachahmung der Interaktion von Zellen in der Natur.Zuletzt wird eine tangentielles Thema genauer ueberprueft: Wie verhalten sich geladene Teilchen in einem engen, geladenen Raum? Waehrend diese Situation zuhauf bei Zell-Zell Interaktionen zwischen den Lipid-Schichten statt findet, ist diese Frage eine essentielle für viele andere, industrielle Prozesse, wie z.B. Batterien oder Stress-Korrosion. Es bietet sich also an, ein vereinfachtes SFA-Setup zu nehmen, um eine breitere Vergleichbarkeit herzustellen: Verschiedene ionische Fluessigkeiten koennen also zwischen zwei SFA Flaechen vermessen werden. Zusaetzlich erlaubt eine einseitige Goldoberflaeche, verschiedene Spannungen anzulegen und somit Ionenmigration zu induzieren und anhand von Abstandsanderungen zu messen. Hochfrequente Aufnahmen in Kombination mit einer Pixel-fuer-Pixel Analyse macht Distanzaenderungen, ausgeloest durch Ionenmigration, sichtbar.