Kopplung Transversaler und Lateraler Struktur in Asymmetrischen Lipidmembranen

Alle Zellen lebender Organismen umgeben sich mit einer Membran, um diverse physiologische Abläufe wie etwa Zellkommunikation oder selektiven Materialtransport aus oder in die Zelle zu ermöglichen. Plasmamembranen beinhalten als Zentrales Element eine Lipid/Protein Doppelschicht. Hierbei bilden die Lipide die strukturelle Matrix für den Einbau von Proteinen mit spezifischer Funktion (z.B. Pumpen, Ionenkanäle oder Rezeptoren). Lipide werden aber in zunehmendem Ausmaß auch in einer funktionellen Rolle beschrieben. So führt man diverse Kranken wie etwa Krebs, Diabetes Typ II oder Parkinson auf Abweichungen im Lipidstoffwechsel zurück. Innerhalb von Membranen sind Lipide etwa essentiell für die Ausbildung von Lipid/Protein Komplexen, auch bekannt als membrane rafts, die wiederum die zelluläre Kommunikation ermöglichen. Lipide sind aus diesem Grund lateral in der Membran nicht gleichmäßig verteilt. Hinzu kommt auch eine transversale Asymmetrie. Plasmamembranen von Säugetierzellen etwa bauen aktiv Sphingomyelin und Phosphatidylcholine an ihrer Außenseite, sowie Phosphatidylethanolamine, Phosphatidylserine und Phosphatidylinositole an ihrer Innenseite ein. Biophysikalische Studien an künstlichen Membranmodellen der Plasmamembran haben entscheidend zu unserem Verständnis der aktiven Rolle von Membranlipiden beitragen. Baut man zum Beispiel künstliche Membranen aus Lipiden der äußeren Membranschicht, so kann man die Ausbildung von Domänen beobachten. Verblüffender Weise zeigen Lipide der inneren Membranschicht nicht dieses Verhalten. Konstruiert man aber eine asymmetrische Membran mit domänbildenden Lipiden an der Außenseite so formen auch die Lipide der inneren Membran Domänen. Es muss daher einen gewissen Kopplungsmechanismus geben, der innere und äußere Lipide transversal als auch lateral verbindet. Laut Theorie kommen dafür entweder Verschränkungen der Kohlenwasserstoffketten (Bestandteile der Lipide), Cholesterol-Flipflop (Austausch) oder krümmungs-spannungsinduzierte Mechanismen in Frage. Experimentell gibt es bislang hierzu wenig Arbeiten, insbesondere in puncto hochaufgelöster Membranstruktur. Erst kürzlich ist eine neue Methode zur Herstellung asymmetrischer Membranen erarbeitet worden, die es erlaubt eine Vielzahl an Lipiden zu verwenden. Dies ermöglicht die im Rahmes des Projektes geplanten detaillierten strukturanalytischen Experimente die aus einer Kombination aus Röntgen- und Neutronenstreuversuchen, als auch Molekulardynamik-Simulationen bestehen. Konkret sollen folgende Fragen beantwortet werden: (i) Wie beeinflusst die Membranstruktur in einer Membranhälfte die Membranstruktur der anderen Membranseite, (ii) was sind die physikochemischen Eigenschaften innerer Membrandomänen die durch Domänen in der äußeren Membranschicht induziert werden, und (iii) gibt es eine präferenzielle Lokalisation von Cholesterin, einem wichtigen Membranlipid, in einer der beiden Membranhälften. Das Projekt beinhaltet eine Zusammenarbeit mit international führenden Forschungsgruppen und ist ein wichtiger Schritt für Folgestudien an Lipid/Protein-Wechselwirkungen unter quasi- physiologischen Bedingungen.

Bei biologischen Membranen, die für eine Vielzahl physiologischer Funktionen unabkömmlich sind (Signalübertragung, Materialtransport), verteilen sich die Phospholipide ungleichmäßig in der äußeren und inneren Hälfte der Lipiddoppelschicht. Diese Verteilung scheint für Zellen einen so hohen Stellenwert zu haben, dass sie einen signifikanten Anteil ihrer Energie dafür aufwenden, diese Asymmetrie aufzubauen, bzw. zu erhalten. Plasmamembranen von Säugetierzellen etwa platzieren hauptsächlich Cholinlipide in die äußere Membranschicht, währenddessen Aminolipide quasi exklusiv in der zytosolischen Hälfte der Membran vorkommen. Gelangt Phosphatidylserin etwa in die äußere Membranhälfte, so kann das als Signal für den programmierten Zelltod (Apoptose) oder Krebs dienen, oder bei Blutblättchen zu einer Koagulation führen. Wenig ist über die physiologische Bedeutung der asymmetrischen Verteilung der anderen Lipide bekannt bzw. verstanden. Eine Frage, die sich in diesem Zusammenhang etwa stellt ist, ob die beiden Membranhälften für eine Signalübertragung vom extrazellulären Raum ins Zytosol gekoppelt sind und wie dies bewerkstelligt wird. Mit genau dieser Fragestellung hat sich das gegenwärtige Projekt auseinandergesetzt. Zu diesem Zweck wurden künstliche Membranmodelle mit einer asymmetrischen Lipidverteilung verwendet. Im ersten Schritt wurde das Herstellungsprotokoll für asymmetrische Membranen verbessert, um asymmetrische, 100 nm große, Vesikel zu erzeugen, die für eine Vielzahl biophysikalischer Methoden zugänglich sind. Insbesondere seinen hier Neutronen und Röntgenkleinwinkelstreuung (SANS,SAXS),Magnetresonanzspektroskopie, Differentialkaloriemetrie und Cryotransmissionmikroskopie erwähnt. Für SANS/SAXS Experimente wurde weiters eine Analysemethode entwickelt, die die Strukturen der einzelnen Membranschichten (z.B. Schichtdicke, Lipidpackungsdichte in äußerer bzw. innerer Membranhälfte) mit hoher Genauigkeit auflösen kann. Die studierten Systeme kann man in zwei Gruppen einteilen: (i) Asymmetrische Membranen mit Lipiden gleicher Kopfgruppe und unterschiedlichen Ketten und (ii) asymmetrische Membranen mit gleicher Kettenzusammensetzung aber unterschiedlichen Kopfgruppen. Beim ersten System konnten wir eine kopplungsbedingte teilweise Aufweichung von Geldomänen in der äußeren Membranhälfte feststellen, beim zweiten System zeigte sich, dass die Kopplung der Membranhälften stark davon abhängt, auf welcher Seite die jeweiligen Lipide platziert sind. Interessanter Weise entspricht das gekoppelte System in erster Näherung der Lipidversteilung in natürlichen Membranen. Dieses Ergebnis zeigt daher einen neuen Mechanismus der Kopplung von Membranhälften, der über die molekulare Form der Lipide gesteuert wird und möglicherweise in der Membranphysiologie eine große Bedeutung hat.