Kopplungsmechanismen zwischen Membranmonoschichten

Biologische Membranen enthalten Domänen, die sich nach dem Grad ihrer Ordnung unterscheiden. Kleine cholesterinhaltige geordnete Domänen werden als Rafts bezeichnet. Befinden sich in beiden Monoschichten geordnete Domänen lagern diese sich in der Regel zu transmembranen Domänen zusammen, wie Untersuchungen an den etwas größeren Domänen in künstlichen Membranen gezeigt haben. Obwohl bisher unklarer Genese ist die Zusammenlagerungfundamentalfür die Herausbildung von Komplexen,die der Signalübertragung dienen. Die Vielzahl der möglicherweise involvierten Kräfte beinhaltet Reibungskräfte in der Membranmitte, Anziehungskräfte zwischen steiferen Regionen aus beiden Monoschichten und die Linearspannung zwischen den unterschiedlich dicken Domänen verschiedener Ordnung. Das Ziel des vorliegenden Projektantrages ist zwischen den Hypothesen zu unterscheiden und den molekularen Mechanismus für die Herausbildung transmembraner Lipiddomänen zu identifizieren. Wir beginnen mit der Erfassung der Interaktionsenergie zwischen beiden Monoschichten. Diesem Zweck dient die durch Polymerbindung induzierte Herausbildung kleiner Domänen in einer der Monoschichten einer freistehenden ebenen Lipiddoppelschicht und die Erfassung ihrer Gleitgeschwindigkeit relativ zur anderen Monoschicht mittels Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie in Abhängigkeit von der Temperatur. Zur Darstellung größerer Domänen raftbildender Lipide dient die Fluoreszenzmikroskpie, die zur Registrierung der Gleitgeschwindigkeit und der Abhängigkeit derselben von der Lipidkomposition mit der Korrelationsspektroskopie gepaart wird. Ziel ist zu unterscheiden, ob geordnete Domänen über die Membranmitte herausragen und so eine gewisse Ordnung in der gegenüberliegenden Monoschicht induzieren oder ob dort bereits existierende unsichtbar kleine Domänen durch die veränderte Linienspannung zur Fusion gebracht und auf diese Weise sichtbar werden. Unterstützend werden wir mittels Applikation von hydrostatischem Druck oder durch Elektrostriktion die theoretische Abhängigkeit der Domängröße von der Membranspannung untersuchen. Die Rolle der Linearspannung wird durch die Messung der Interaktionsenergie zwischen polymerinduzierten Domänen getestet, die sich auf wohldefinierte Weise in ihrer Größe unterscheiden. Letztlich werden wir die errechneten Energien für die Interaktion in der Membranmitte einer Prüfung unterziehen, indem wir ähnliche Experimente mit Membranen aus bipolaren Lipiden ausführen, die frei von derartigen Interaktionen sind. Sämtliche Experimente werden von theoretischen Arbeiten begleitet, um eine adäquate Beschreibung der Membranmechanik zu sichern. Im Ergebnis erwarten wir ein molekulares Bild gut charakterisierter Kräften, die das Bestreben zur Bildung transmembraner Lipiddomänen plausibel erklärt.

Zellmembranen enthalten cholesterinhaltige Areale, die auch als Flöße (Rafts) bezeichnet werden. Sie dienen der Weiterleitung von außen kommender Signale in das Innere der Zelle. Die Namensgebung geht zurück auf die Beobachtung, dass diese etwas erhabenen Areale sich in der Membran gleich einem in einem Fluss schwimmenden Floß bewegen können. Trotz ihrer Beweglichkeit müssen die Flöße (Domänen) aus beiden Lipidmonoschichten der membranbildenden Lipiddoppelschicht in Kontakt bleiben, mehr noch, eine Einheit bilden, um ihre Funktion zu erfüllen. Da ein verbindendes Element fehlt, das beide Monoschichten überspannen würde, war bisher unklar, was diese, in ihrer Ausdehnung auf weniger als 200 nm im Durchmesser beschränkte Domänen aus beiden Monoschichten zusammenhält. Im Rahmen des Vorhabens haben wir zunächst theoretisch zeigen können, dass die Kopplung der Domänen aus beiden Monoschichten der energetisch günstigste Zustand ist, da sie die elastischen Deformationen der randständigen Lipide minimiert. Darüber hinaus besitzen die Domänen eine höhere Steifigkeit als der Rest der Membran, so dass sie den thermischen Bewegungen (Undulationen) der Lipiddoppelschicht einen höheren Widerstand entgegensetzen. Das führt dazu, dass weniger gekrümmte Areale aus beiden Monoschichten zur Überlappung kommen. Zur experimentellen Beweisführung haben wir Lipide verwendet, die ihre Struktur infolge Lichtexposition mit spezifischer Wellenlänge reversibel ändern können. In einer der Strukturen sind die Lipide steif und verdicken die Lipidmembran zu Domänen. Nach Umschaltung in die andere Struktur lösen die Fotolipide die Domänen wieder auf, da sie jetzt viel biegsamer sind und nicht mehr über den Rest der Membran hinaus stehen. Zur Kenntlichmachung der Domänen in den beiden Monoschichten haben wir darüber hinaus markierte Lipide verwendet, die in zwei verschiedenen Farben fluoreszieren. In Übereinstimmung mit unserer Theorie haben sich Domänen aus beiden Monoschichten immer überlappend angeordnet, selbst dann wenn deren Ausdehnung 40 nm nicht überstieg. Da Domänen dieser Größe mit Lichtmikroskopie nicht mehr aufgelöst werden können, haben wir die Abhängigkeit der Floßmobilität von der Größe zur Bestimmung derselben als Kriterium herangezogen. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass die Domänen nicht isoliert in den Monoschichten entstehen, sondern sich als Einheiten herausbilden, die von vornherein beide Monoschichten überspannen. Diese Hypothese haben wir sowohl in molekulardynamischen Simulation als auch in Experimenten mit Membranen bestätigt, die aus Monoschichten verschiedener Zusammensetzung aufgebaut waren. Diese an einfachen Modellmembranen gewonnenen Erkenntnisse zeigen die physikalischen Grundprinzipien auf, wie die strukturellen Plattformen für eine Signalübertragung über die Zellmembran entstehen.