Struktur und Elastizität von Fluid-Geordneten / Fluid-Ungeordneten Domänen

Biologische Membranen steuern eine Vielzahl von Vorgängen auf der zellulären Ebene, wie z.B. Materialtransport, Signalübertragung und zahlreiche chemische Reaktionen. Das zentrale Element dieser Membranen ist eine etwa 4 nm dünne Schicht aus Phospholipiden und Proteinen, wobei es zahlreiche Hinweise für eine gegenseitige Beeinflussung von Lipiden und Membranproteinen gibt. Von besonderem Interesse ist die Organisation von Lipiden und Proteinen in funktionellen Plattformem, sogenannte "Rafts", mit spezifischen Aufgaben für Transport und Signalübertragung. Sphingomyelin und Cholesterin sind laut gegenwärtiger Meinung die Lipidhauptbestandteile der Rafts. Ein grundlegendes physikalisch-chemisches Verständnis der Eigenschaften von "Membran-Rafts" ist daher eine unverzichtbare Voraussetzung für wegweisende medzinische und pharmazeutische Entwicklungen. Biophysikalische Studien an komplexen Mischungen von "Raftlipiden" können einen wesentlichen Beitrag zu diesem Wissen liefern. In diesen Lipidmischungen kommt es zu einer Phasenseparation in "fluid-geordnete" (L o ) und "fluid-ungeordnete" (L a) Domänen. Lo -Phasen entsprechen in vielen Eigenschaften natürlichen Membran- Rafts, inklusive des erhöhten Cholesteringehalts, sowie der bevorzugten Insertierung von Glycosylphosphatidylinositol (GPI)-verankerten Proteinen in diese Lipidumgebung. Jedoch stellt die kürzlich entdeckte Seggregation von raft-assoziierten Transmembranproteinen (TMP) aus Lo -Phasen die Anwendbarkeit dieser Modelle für Membran-Rafts in Frage. Ziel des Projektes ist daher, lipid-basierte Modelle herzuleiten, welche die Partitioninerung von TMP wieder zulassen und somit optimierte und experimentell streng kontrollierbare Modellsysteme für Membran-Rafts darstellen. Zu diesem Zweck sollen unter der Verwendung einer Vielzahl von biophysikalischen Methoden diejenigen strukturellen und elastischen Parameter von Lo und La Phasen hergeleitet werden, welche die Partitionierung von TMP bestimmen. Insbesondere sind dies die Packungsdichte (Fläche pro Lipid), Membrandicke, spontane Krümmung, Gaussscher Kurvaturmodulus und Biegefestigkeit. Mit Hilfe dieser Parameter werden wir die bevorzugte Insertierung von Modelproteinen in bestimmte Lipidumgebungen berechnen. Die Ergebnissen werden zeigen, warum TMP nicht in gegenwärtige Raft-Modelle partitionieren und wie wir ihre physiko-chemischen Eigenschaften verändern müssen, damit TMP wieder in diese Lipiddomänen insertieren. Schließlich werden wir die optimierten Lo -Phasen testen, indem wir die Partitionierung eines etablierten TMP-Modellpeptides in diese Domänen messen, und mit dem Insertiationsverhalten in raft-ähnlichen Strukturen in Plasmamembran-Präparationen vergleichen. Das Projekt beinhaltet eine Kooperation mit hochrangigen Experten aus den Bereichen der Biophysik und Zellbiologie. Der Brückenschlag zwischen den beiden Disziplinen wird für eine Vielzahl von zukünftigen Projekten als Basis dienen.

Zellmembranen sind komplexe dynamische Verbundstoffe aus Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten (Zucker) mit einer Vielzahl von physiologischen Aufgaben (z.B. Schützen/Abtrennen des Zellinneren für diverse biochemische Reaktionen, oder Schaffung einer Kommunikationsplattform zwischen Zellen). Der strukturelle hierarchische Aufbau der Membranen spielt hierbei eine besondere Rolle. Eine der Hypothesen zur Membranstruktur geht davon aus, dass kurzlebige, mikroskopisch kleine Domänen (Rafts) für Zellkommunikation oder Materialtransport durch die Membranen verantwortlich sind. Allerdings ist es aufgrund der Komplexität des Systems bislang nicht gelungen, diese Strukturen in lebenden Zellen direkt nachzuweisen. Künstliche Membranen aus Lipidmischungen sind hingegen dafür bekannt, unter bestimmten Voraussetzungen solche Domänen auszubilden. Ziel des Projektes war es, diese Domänen in künstlichen Membranen genauer zu analysieren, um ein besseres Verständnis ihrer physikalischen Eigenschaften zu erlangen. Diese Eigenschaften sind wiederum wichtig um das Verhalten von Membranproteinen zu verstehen, die zwischen den beiden Domänen aussuchen können, um ihre Funktionen (z.B. Signalübertragung) erfüllen zu können. Zu diesem Zweck wurden Röntgen- und Neutronenstreumethoden entwickelt, die es erstmals erlaubten koexistierende Domänen in situ, d.h. simultan zu untersuchen. Die erhaltenen Einblicke auf der Subnanometer Längenskala brachten einige interessante Ergebnisse zum Vorschein. Zum Beispiel fanden wir, dass die festeren Domänen beim Aufheizen dünner werden, wohingegen die weicheren sich zusehends verdicken, bis beide Domänen schließlich zu einer homogenen Membran verschmelzen. Das Temperaturverhalten lässt sich durch einen Austausch der Lipide (durch Diffusion) verstehen. Interessanterweise richten sich diese Domänen in mehrschaligen Vesikeln zueinander aus, sodass immer gleichartige Domänen übereinander zu liegen kommen, was umso bemerkenswerter ist, da die Membranen durch eine Wasserschicht voneinander getrennt sind. Unsere Messungen zeigten, dass dies durch ein Wechselspiel der anziehenden und abstoßenden Kräfte bewerkstelligt wird. Insbesondere waren die fluktuationsgetriebenen Kräfte zwischen weichen und festen Domänen stark unterschiedlich. Die erhaltenen physikalischen Parameter der Domänen erlaubten uns schließlich den bevorzugten Aufenthalt von Transmembranproteinen mit verschiedenen Formen zu berechnen. Proteine mit einer konvexen Form etwa tauchen bevorzugt in weiche Domänen ein, und konkave Proteine in festere. Proteine mit einer asymmetrischen Form hingegen bevorzugen auch eine asymmetrisch zusammengesetzte Lipidmembran. Dies könnte eine wichtige Rolle bei der für physiologische Funktionen so wichtigen Asymmetrie von Zellmembranen spielen.