Authors:	Mey, Ingo Patrick
Title:	Elastizität porenüberspannender Membranen: eine kraftmikroskopische Studie
Online publication date:	10-Dec-2009
Year of first publication:	2009
Language:	german
Abstract:	Membranen spielen eine essentielle Rolle bei vielen wichtigen zellulären Prozessen. Sie ermöglichen die Erzeugung von chemischen Gradienten zwischen dem Zellinneren und der Umgebung. Die Zellmembran übernimmt wesentliche Aufgaben bei der intra- und extrazellulären Signalweiterleitung und der Adhäsion an Oberflächen. Durch Prozesse wie Endozytose und Exozytose werden Stoffe in oder aus der Zelle transportiert, eingehüllt in Vesikel, welche aus der Zellmembran geformt werden. Zusätzlich bietet sie auch Schutz für das Zellinnere. Der Hauptbestandteil einer Zellmembran ist die Lipiddoppelschicht, eine zweidimensionale fluide Matrix mit einer heterogenen Zusammensetzung aus unterschiedlichen Lipiden. In dieser Matrix befinden sich weitere Bausteine, wie z.B. Proteine. An der Innenseite der Zelle ist die Membran über Ankerproteine an das Zytoskelett gekoppelt. Dieses Polymernetzwerk erhöht unter anderem die Stabilität, beeinflusst die Form der Zelle und übernimmt Funktionenrnbei der Zellbewegung. Zellmembranen sind keine homogenen Strukturen, je nach Funktion sind unterschiedliche Lipide und Proteine in mikrsokopischen Domänen angereichert.Um die grundlegenden mechanischen Eigenschaften der Zellmembran zu verstehen wurde im Rahmen dieser Arbeit das Modellsystem der porenüberspannenden Membranen verwendet.Die Entwicklung der porenüberspannenden Membranen ermöglicht die Untersuchung von mechanischen Eigenschaften von Membranen im mikro- bis nanoskopischen Bereich mit rasterkraftmikroskopischen Methoden. Hierbei bestimmen Porosität und Porengröße des Substrates die räumliche Auflösung, mit welcher die mechanischen Parameter untersucht werdenrnkönnen. Porenüberspannende Lipiddoppelschichten und Zellmembranen auf neuartigen porösen Siliziumsubstraten mit Porenradien von 225 nm bis 600 nm und Porositäten bis zu 30% wurden untersucht. Es wird ein Weg zu einer umfassenden theoretischen Modellierung der lokalen Indentationsexperimente und der Bestimmung der dominierenden energetischen Beiträge in der Mechanik von porenüberspannenden Membranen aufgezeigt. Porenüberspannende Membranen zeigen eine linear ansteigende Kraft mit zunehmender Indentationstiefe. Durch Untersuchung verschiedener Oberflächen, Porengrößen und Membranen unterschiedlicher Zusammensetzung war es für freistehende Lipiddoppelschichten möglich, den Einfluss der Oberflächeneigenschaften und Geometrie des Substrates, sowie der Membranphase und des Lösungsmittels auf die mechanischen Eigenschaften zu bestimmen. Es ist möglich, die experimentellen Daten mit einem theoretischen Modell zu beschreiben. Hierbei werden Parameter wie die laterale Spannung und das Biegemodul der Membran bestimmt. In Abhängigkeit der Substrateigenschaften wurden für freitragende Lipiddoppelschichten laterale Spannungen von 150 μN/m bis zu 31 mN/m gefunden für Biegemodulde zwischen 10^(−19) J bis 10^(−18) J. Durch Kraft-Indentations-Experimente an porenüberspannenden Zellmembranen wurde ein Vergleich zwischen dem Modell der freistehenden Lipiddoppelschichten und nativen Membranen herbeigeführt. Die lateralen Spannungen für native freitragende Membranen wurden zu 50 μN/m bestimmt. Weiterhin konnte der Einfluss des Zytoskeletts und der extrazellulä-rnren Matrix auf die mechanischen Eigenschaften bestimmt und innerhalb eines basolateralen Zellmembranfragments kartiert werden, wobei die Periodizität und der Porendurchmesser des Substrates das räumliche Auflösungsvermögen bestimmen. Durch Fixierung der freistehenden Zellmembran wurde das Biegemodul der Membran um bis zu einem Faktor 10 erhöht. Diese Arbeit zeigt wie lokal aufgelöste, mechanische Eigenschaften mittels des Modellsystems der porenüberspannenden Membranen gemessen und quantifiziert werden können. Weiterhin werden die dominierenden energetischen Einflüsse diskutiert, und eine Vergleichbarkeit zurnnatürlichen Membranen hergestellt.rn Membranes play a pivotal role for many important cellular processes. They enable the generation of chemical gradients between the inner part of the cell and its environment. The cell membrane has important functions in intra and extra cellular signal transfer, as well as in the adhesion on surfaces. Substances are transported in or out of the cell via processes like endocytosis and exocytosis, therefor the substances are enclosed in vesicles formed by therncellular membrane. The membrane is furthermore a protection for the inner part of the cell. Main constituent of a cell membrane is the lipid bilayer, a two-dimensional fluid matrix with a heterogeneous composition of different lipids. Further building blocks as for example proteins are present in this matrix. The membrane is connected to the cytosceleton via anchor proteins at the inner cell membrane. This polymeric network increases the stability,rninfluences the cell shape, and has important functions for the motility of the cell. In cellular membranes different lipids and proteins are enriched in microscopic domains forming a hetergenous structure. Within this thesis the model system of pore spanning membranes was used to understand the basic mechanical properties of the cellular membranes. The development of pore spanning membranes gives rise to research of local mechanical properties of membranes on microscopic to nanoscopic scales with surface probing techniques like the atomic force microscope.Porosity and pore size of the substrate determine the spatial resolution for the examination of mechanical parameters.rnPore spanning lipid bilayers and cell membranes on novel porous silicium substrates with pore radii of 225 nm to 600 nm and a porosity of up to 30% were studied. A method for a comprehensive theoretical modelling of the local indentation experiments, and for the destination of the dominating energetic contributions in the mechanics of pore spanning membranes is presented.rnPore spanning membranes show a linear increasing force with increasing indentation depth. The influence of surface properties and geometry of the used substrates on the mechanical properties of free standing lipid bilayers, as well as the influence of membrane phase and solvent, could be determined by the study of different surfaces, pore sizes, and membranes of different constitution. It is possible to describe the experimental determined data withrna theoretical model. Parameters like lateral tension and bending modulus of the membrane are determined. Tensions of 150 μN/m to 31 mN/m for free standing lipid bilayers were determined for bending moduli of 10−19 J to 10−18 J in influence of substrate properties. A comparison between the model of free standing lipid bilayers and native membranes was deduced by force-indentation-experiments on pore spanning cellular membanes. The determiend lateral tensions of native free standing membranes are 50 μN/m. Furthermore the influence of the cytosceleton and the extracelular matrix on the mechanical properties couldrnbe identified and mapped within a basolateral cell membrane fragment. Periodicity and pore diameter of the substrate determine the spatial resolution in this case. The bending modulus of the membrane was increased up to a factor 10 by fixation of the free standing cellular membrane. This thesis presents an approach to locally resolved mechanical properties, which can be measured and quantified via the model system of pore spanning membranes. Furthermorernthe dominating energetic influences are discussed, and comparability between free standing lipid bilayers and pore spanning cellular membranes is induced.rn
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1604
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-21499
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen