Signal propagation across the membrane by cytokine receptor signalling involves a complex interplay of receptor-ligand interactions, allostery and conformational changes. Type I interferons (IFNs) exert their biological activities through binding to a shared receptor consisting of the type II cytokine receptor subunits IFNAR1 and IFNAR2. The aim of this thesis was to establish biochemical and biophysical approaches for exploring in vitro interactions and conformational changes accompanying the formation of type I IFN receptor complex. For these purposes, in this work a versatile combination of covalent vs. non-covalent reversible site-specific protein modification chemistries was exploited for their surface immobilization, incorporation of fluorescence probes or crosslinkers. The generic bioorthogonal strategy of PPTase-catalysed covalent modification of ybbR short peptide tag fused to a protein of interest enabled highly efficient site-directed fluorescence labelling of wild type IFNα2 and mutants, IFNAR1 and IFNAR2 receptors as well as their functional immobilization onto surfaces. These modified proteins were confirmed to be active by studying their interactions in ligand-receptor surface binding assays in real time by total internal reflection fluorescence spectroscopy and reflectance interference. A rapid quantitative surface assay for probing binding kinetics of proteins captured directly via His-tags from cell supernatants was established and employed for screening of IFNAR1 mutants in order to identify the residues responsible for differential recognition of various IFN subtypes. Thus the fine-tuned IFN binding chemistries through few ligand-specific interaction points as the basis for receptor plasticity was identified. Site-specific covalent immobilization allowed exploring cooperativity in ligand recognition by the receptor subunits. The observed small allosteric effect is apparently not related to the potential contact of membrane-proximal receptor domains but probably mediated through conformational cross-communication of binding sites on the ligand. Substantial conformational changes of IFNAR1 upon ligand binding were exploited as fluorescence readout to monitor the assembly of ternary complexes on artificial membranes. This enabled exploring the life times of ternary complexes with IFNα2 combined mutants targeting binding to IFNAR1 and IFNAR2 and corroborated to the suggestion that the differential physiological activity of IFN subtypes is related to the total ternary complex affinity and not to ligand affinity towards individual receptor subunits. Finally, in vitro stabilization of dual-colour labelled weakly interacting IFNα2/IFNAR1/IFNAR2 complex by means of an entropic clamp was implemented, enabling to analyze ternary complexes by fluorescence cross-correlation spectroscopy Förster resonance energy transfer on the single molecule level. These novel tools will prove valuable for unravelling the subtle interplay of interactions and conformational changes in cytokine receptor complexes.

The aim of my PhD research was to develop and establish techniques for surface functionalization of nanoparticles, which can be employed to study the dynamics, function and activity of recombinantly expressed as well as endogenous proteins inside living cells. A prerequisite to achieve this goal was the ability to bio-functionalize nanoparticles with proteins in the cytoplasm of living cells. The HaloTag technology was utilized for generic site-specific targeting of nanoparticles to proteins. Fast and efficient targeting of nanoparticles to proteins was then achieved by using an engineered clickHTL exhibiting fast reactivity towards the HaloTag-enzyme. Application of this approach to track individual proteins in the outer membrane of mitochondria revealed that the physicochemical properties of the nanoparticles biased the mobility of the targeted proteins. To circumvent this, a model nanoparticle was systematically engineered in order to identify physicochemical properties that are important for tracking intracellular membrane proteins without affecting their diffusion dynamics. Nanoparticles exhibiting stealth properties were finally obtained upon densely coating the nanoparticle surface with PEG2k. These particles were mono-functionalization with clickHTL, to ensure labeling in a 1:1 stoichiometry, and could be successfully used for unbiased tracking of individual membrane proteins. Beyond the observation of proteins, generic approaches that allow intracellular manipulation and probing of protein activities are desired. To this end, 500 nm superparamagnetic nanoparticles were used as mobile nanoscopic hotspots self-assebled into active signaling platforms. Inside living cells, precise and accurate manipulation of endogeneous Rac1 activity was possible at different subcellular locations and over extended time periods. These experiments demonstrated that Rac1 signaling is dependent on the subcellular-context by spatial isolation of distinct signaling pathways. Furthermore, these MNPs provided well defined platforms for selective spectroscopy in order to quantify bait-prey protein interactions in the cytoplasm as was demonstrated by the interaction of cdc42 and N-WASP.

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Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Konservierung elektrophysiologischer Charakteristika von Proteintranslokasen aus verschiedenen Organismen untersucht. Die Sec61/Sec61p Komplexe aus rauen Mikrosomen von Canis familiaris und Saccharomyces cerevisiae bilden ionenpermeable Poren mit einer hohen Leitfähigkeit in planaren Lipidmembranen. In Säugerzellen werden diese durch einen Calcium-Calmodulin (Ca2+-CaM)-vermittelten negativen Feedback-Mechanismus reguliert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Spezifität der zugrundeliegenden Interaktion von Ca2+-CaM mit der α-Untereinheit des Sec61 Komplexes belegt werden. Es wurde gezeigt, dass der Calmodulin Antagonist Ophiobolin A in der Lage ist, die Inhibition der Ionenpermeation durch Sec61 aufzuheben. Des Weiteren wurde anhand elektrophysiologischer Messungen nachgewiesen, dass dieser Ca2+-CaM-vermittelte Regulationsmechanismus in der Hefe S. cerevisiae nicht vorhanden ist. Dies wird auf eine kritische Variation in der Primärstruktur des Hefe-Proteins zurückgeführt, welche die Bindung von Calmodulin an den N-Terminus von Sec61p verhindert. Der bakterielle SecYEG Komplex aus E. coli konnte erfolgreich in Proteoliposomen rekonstituiert werden. Die Funktionalität des Translokons wurde in in vitro proOmpA Importexperimenten nachgewiesen. Mittels dieser Proteoliposomen sollten SecYEG Poren in den planaren Bilayer integriert werden. Sowohl für den inaktiven als auch für den durch die Anwesenheit von Substraten oder Bindepartnern aktivierten Komplex konnten keine ionenpermeablen Poren in der Membran nachgewiesen werden. Dies lässt darauf schließen, dass im Gegensatz zu den homologen Komplexen in Eukaryoten, der bakterielle Sec Komplex intrinsisch die Permeabilitätsbarriere für Ionen aufrechterhält. Die vorliegenden Ergebnisse legen nahe, dass weder die Ausbildung ionenpermeabler Poren, noch deren Regulation zwischen den Sec Komplexen von Bakterien, Hefen und Säugern vollständig konserviert ist. In einem zweiten Teilprojekt wurden auf der Suche nach der zentralen Proteinimportpore in der äußeren Mitochondrienmembran von Trypanosoma brucei zwei mögliche Kandidaten, TbSam50 und ATOM, anhand elektrophysiologischer Untersuchungen verglichen. Beide waren in der Lage in planaren Bilayern ionenpermeable Poren auszubilden. Die elektrophysiologischen Grundcharakteristika dieser Poren, wie der hohe Leitwert und die Selektivität für Kationen sowie die beobachtete Interaktion mit mitochondrialen Präsequenzen, stimmen gut mit einer potentiellen Funktion als Proteinimportpore überein. Eine detaillierte Untersuchung der Einzelkanaleigenschaften zeigte, dass TbSam50 beträcht-liche Ähnlichkeiten zu homologen Proteinen in Hefen und menschlichen Zellen aufweist. Somit bestätigen die hier präsentierten Ergebnisse die Identifikation von TbSam50 als Kern der trypanosomalen Assemblierungsmaschinerie für β-barrel Proteine in der äußeren Mitochondrienmembran. Besonderheiten in der Beeinflussung der Kanaleigenschaften durch mitochondriale Präpeptide, insbesondere die erhöhte Verweildauer des Kanals im geschlossenen Zustand, weisen darauf hin, dass TbSam50 keine duale Funktion als β-barrel Insertase und Proteintranslokase besitzt. Hingegen lieferte die elektrophysiologische Charakterisierung von ATOM Hinweise, welche die Identifikation dieses Proteins als porenbildende Untereinheit des mitochondrialen Proteinimportapparates in T. brucei bestätigen. Darüber hinaus zeigten Vergleiche der elektrophysiologischen Charakteristika, insbesondere des Schaltverhaltens und der Anzahl porenbildender Untereinheiten pro aktiver Einheit im artifiziellen Bilayer, dass ATOM stärkere Ähnlichkeiten zu Proteintranslokasen bakterieller Abstammung aufweist, als zu Tom40, der generellen Importpore der Eukaryoten. Dies unterstützt das auf Sequenzvergleichen basierende Model, dass ATOM ein evolutives Relikt repräsentiert, anhand dessen die Entwicklung der mitochondrialen Proteinimportmaschinerie aus einer bakteriellen, Omp85-artigen Protein-exportpore abgeleitet werden kann.

Die zwei Nanomotoren der rotierenden ATP-Synthase sind über einen zentralen Rotor und einen peripheren Stiel miteinander gekoppelt. Während der katalytisch aktive F1-Teil in drei 120°-Schritten rotiert, benötigt der ionentranslozierende FO-Teil in Escherichia coli zehn Schritte für eine Rotation um 360°. Angesichts dieses Symmetriemissverhältnisses wurde eine elastische Kopplung der beiden Domänen als Voraussetzung für die katalytische Funktionalität des Enzyms angesehen. Der elastische Bereich des Rotors wurde an den Kontaktflächen der globulären Domänen der gamma- und epsilon-Untereinheit zum c10-Ring lokalisiert und mit einer Torsionsfederkonstanten von 68 pNnm bestimmt. In dieser Arbeit wurde die Torsionsfederkonstante des ab2c10-Komplexes anhand der Beobachtung von bis zu dreizehn Einzelmolekülen mit einer Torsionsfederkonstanten von 1300 pNnm bestimmt. Neben ihrer hervorragenden Eigenschaft zur Formung einer realitätsnahen und natürlichen Umgebung für Membranproteine sind die Eigenschaften von Phospholipidmembranen intrinsisch hinsichtlich ihrer chemischen und mechanischen Stabilität begrenzt. Künstliche Membranen aus ABA-Triblockcopolymer haben sich als vielversprechender, stabiler Lipidersatz erwiesen. Durch Variation der Stöchiometrie der Blöcke können die physikochemischen Eigenschaften des Triblocks verändert werden. Die ATP-Synthase aus E. coli konnte unter Erhalt der Funktionalität in Polymervesikel (Polymerosomen) eingebaut werden. Allerdings war die Aktivität nicht eindeutig der Polymerumgebung zuzuordnen, da die Enzympräparation in Gegenwart von natürlichem Lidid durchgeführt wurde. Der Einbau des Enzyms, das auf drei unterschiedliche Arten lipidfrei präpariert wurde, in Polymerosomen konnte auch unter Verwendung von drei unterschiedlichen Rekonstitutionsmethoden weder durch funktionelle Tests noch immunologisch nachgewiesen werden.

Functional immobilization and lateral organization of proteins into micro- and nanopatterns is an important prerequisite for miniaturizing analytical and biotechnological devices. In this thesis I present novel and versatile approaches for high contrast surface micropatterning of proteins, artificial membranes and live cells based on maleimide photochemistry. The patterning strategy is carried-out on glass substrates exploiting a poly(ethylene glycol) PEG polymer layer as a compatible scaffold. The flexible PEG cushion prevents unspecific proteins attachment and cell adhesion to surfaces. The versatility of this method is demonstrated by means of different orthogonal chemistries using covalent- and affinity- based interactions for protein immobilization. Furthermore, using maleimide based alkyl-thiol chemistry, I utilized the patterning approach for capturing liposomes and proteoliposomes onto surfaces. Formation of fluid patterned polymer-supported membranes demonstrating lateral diffusion of lipids and proteins was confirmed by biophysical assays. A similar approach was used for micropatterning of transmembrane proteins in surface adhered live cells.

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Die F-ATP-Synthase nutzt die elektrochemische Differenz des Protons über eine Membran zur Synthese von ATP. Sie setzt sich aus dem katalytisch aktiven F1-Teil und dem membranständigen FO-Teil zusammen. In FO wird durch die protonenmotorische Kraft (pmf) ein Drehmoment erzeugt, das zur Synthese von ATP in den 3 katalytischen Untereinheiten genutzt wird. Mechanisch gesehen besteht das Motorenzym aus einem Rotor, der sich gegen einen Stator dreht. Ein an FO gekoppeltes Actinfilament diente als Reporter für die Orientierung und Biegsamkeit der Rotoruntereinheiten. Das molekulare Koordinatensystem, gewonnen aus der Kristallstruktur der mitochondrialen F-ATP-Synthase, wurde mit den Koordinatensystem des aktiven Enzyms aus E. coli korreliert. Das ATP hydrolysierende Enzym wartet auf die Bindung von ATP, gefolgt von einem 80°-Schritt. Anschließend wird während des katalytischen Wartezustands ATP hydrolysiert, gefolgt von einem 40°-Schritt. Mittels einer Disulfidbrücke zwischen Rotor und Stator wurde das aktive Enzym in einer Orientierung festgehalten, die der Kristallstruktur entspricht. Diese Orientierung stimmt mit der Stellung des aktiven Enzyms sowohl im katalytischen Wartezustand als auch im ADP-inhibierten Zustand überein. In der Kristallstruktur sind 2 katalytische Zentren mit Nukleotiden besetzt. Dagegen sind im aktiven Enzym während der katalytischen Pause alle 3 katalytischen Zentren besetzt. Durch Schließen von Disulfidbrücken zwischen Rotor und Stator wurden die inneren Elastizitätsparameter des inhibierten und elastisch relaxierten Enzyms anhand des Ausschlags des Actinfilaments bestimmt. Der elastisch biegsame Bereich liegt zwischen den Angriffspunkten der thermodynamischen Kräft, d.h. der pmf in FO und dem Phophatpotential in F1. Die Energie des Drehmoments wird in den Rotoruntereinheiten elastisch gespeichert und anschließend für die Synthese von ATP genutzt. Die elastische Kopplung sorgt für eine hohe kinetische Effizienz und eine hohe Umsatzrate.

Colicin A is a water-soluble toxin that forms a voltage-gated channel in the cytoplasmic membrane of target bacteria. In the present thesis, we aimed at studying the closed channel state, the membrane insertion mechanism, the acidic pH induced molten globule state and the interaction of colicin A in living E. coli cells. For that, we used Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy in combination with site-directed spin labeling (SDSL) method to explore the structural details of colicin A. The EPR studies of the membrane-bound colicin A (reconstituted into proteoliposomes) suggest the transmembrane orientation of the hydrophobic hairpin in the closed channel state. The pH dependent membrane insertion studies indicate that the membrane binding efficiency is significantly enhanced at pH < 3. Moreover, in the presence of a membrane potential, the pH induced membrane-bound state is able to open channels in the liposomes. The membrane-bound conformation (induced by acidic pH) is similar to the conformation of reconstituted colicin A which support the umbrella model for the closed channel state of colicin A. The studies on pH dependent conformational changes suggest that colicin A forms a molten globule at pH 2. The molecular details of pH induced conformational changes were analyzed by molecular dynamic simulations. The results of the MD simulations agree with the EPR results. Conformational changes of colicin A upon interaction with living E. coli cells could also be followed. Comparison between colicin A in wild type (WT) cells and tolB knock-out mutants suggest that the observed conformational changes originate from colicin A which has been already translocated to the inner membrane.