In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Ansatz vorgestellt, um Lipiddomänen, die Bindungsorte peripherer und integraler Membranproteine darstellen können, zu charakterisieren. Insbesondere wurde die Analyse der Fluoreszenzlebenszeiten von NBD-markierten Lipidanaloga benutzt, um Lipiddomänen in Giant unilamellar vesicles (GUV) und darauf aufbauend, in der Plasmamembran von Säugerzellen zu untersuchen. Das typische Zeitfenster von Fluoreszenzlebenszeiten im Bereich von Nanosekunden ermöglicht es, auch sehr kurzlebige Lipiddomänen nachzuweisen. Mit Hilfe des Fluorescence lifetime imaging (FLIM) wurden für die liquid disordered (ld) und liquid ordered (lo) Domänen in GUV jeweils spezifische Werte für das Abklingen der Fluoreszenz gemessen. Sogar die Existenz von submikroskopischen Domänen in GUV konnte nachgewiesen werden. Die Fluoreszenzlebenszeit des Lipidanalogs C6-NBD-PC zeigte in der Plasmamembran von Säugerzellen eine breite Verteilung. Dies legt in Übereinstimmung mit FLIM-Experimenten an aus der Plasmamembran von HeLa-Zellen gewonnenen Giant vesicles nahe, dass in der Plasmamembran von Zellen eine Vielzahl verschiedener submikroskopischer Lipiddomänen existiert. Darauf aufbauend wurde die Fluoreszenzmikroskopie an GUV angewendet, um die Bindung von fluoreszenzmarkiertem alpha-Synuclein an mittels FLIM charakterisierte Lipiddomänen zu untersuchen. Die Experimente zeigten, dass das Protein mit hoher Affinität an negativ geladene Phospholipide unter der Vorraussetzung bindet, dass diese sich in ld Domänen befinden. Im Gegensatz dazu erfolgt keine Bindung wenn diese Lipide in lo Domänen lokalisiert sind. Im Vergleich zum wildtypischen alpha-Synuclein zeigte die Variante A30P eine geringere Affinität zur Membran, während die E46K-Variante eine stärkere Bindung zeigte. Dies deutet darauf hin, dass bei den erblichen Formen des Morbus Parkinson eine veränderte Assoziation des alpha-Synucleins mit der Membran eine Rolle spielen kann. / In the present study a novel approach to characterize lipid domains, which may provide binding sites for peripheral or integral membrane proteins, is demonstrated. In particular, analysis of fluorescence lifetimes of NBD-labeled lipid analogues was used to study lipid domains in Giant unilamellar vesicles (GUV) and – based on the GUV results – in the plasma membrane of mammalian cells. As fluorescence decays in a few nanoseconds it is possible to to detect also very short-lived lipid domains. Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) revealed that the fluorescence decay of NBD-lipid analogues showed domain dependent decay times in the liquid disordered (ld) and the liquid ordered (lo) phase of GUV. Even the existence of submicroscopic domains in lipid membranes could be detected by FLIM. A broad distribution of the fluorescence lifetime was found for C6-NBD-PC inserted in the plasma membrane of mammalian cells. In agreement with FLIM studies on lipid domain forming Giant vesicles derived from the plasma membrane of HeLa-cells this may suggest that a variety of submicroscopic lipid domains exists in the plasma membrane of intact mammalian cells. Based on that, fluorescence microscopy was used on GUV to study the binding of fluorescently labeled alpha-synuclein at lipid domains previously characterized by FLIM. The experiments suggested that alpha-synuclein binds with high affinity to negatively charged phospholipids, when they are embedded in a ld as opposed to a lo environment. When compared with wildtype alpha-synuclein, the disease-causing alpha-synuclein variant A30P bound less efficiently to anionic phospholipids, while the variant E46K showed enhanced binding. This suggests that an altered association of alpha-synuclein with membranes may play a role in the inherited forms of Parkinson’s disease.

Much of our knowledge of cellular biology arises from direct observation of active cellular functions. Tools and techniques have steadily developed over the past several hundreds of years to aid in our understanding and control of the nanoworld and are referred to as nanotechnologies. In the context of nanotechnology, DNA is not used as a carrier for genetic information (as it is in cell), but as a construction material. DNA offers unprecedented control over the construction of simplified biomimetic models for the study of biological processes. This thesis first introduces and defines the field of DNA nanotechnology, with particular emphasis on the interaction of snthetic DNA nanostructures with biological membranes. Inspired by the protein clathrin, three-fold symmetric DNA tile made of eight, short DNA strands and capable of polymerising is described and studied, with the aim to interact with and controllably bend a membrane bilayer. This structure presented challenges during construction so an enhanced three-armed DNA structure built with DNA origami was designed. The succesful assembly of a rigid and functionalisable nanostructure is described. This origami structure was polymerised into large constructs in solution and on a supported lipid membrane. The shape of the structure was modulated to vary its curvature and apply a bending force to a lipid vesicle when anchored to it. Following the conclusion of this study, we present the construction of a small, unique DNA structure for enhanced electron microscopy imaging in cell lysate. This project is part of a developing technique to couple the interaction specificity of dyes in super-resolution microscopy and the high-resolution output of electron microscopy. Finally, the optimisation procedures and recommendations for TEM imaging of samples of DNA origami and lipid structures are discussed.

No description available.

No description available.

Die Fusion von Membranen erfordert die Verschmelzung von zwei Phospholipiddoppel-schichten, wobei dies über dieselben Zwischenschritte abzulaufen scheint. Eine lokale Störung (‚Stalk’) stellt eine erste Verbindung der äußeren Membranhälften dar, die anschließend lateral expandiert und ein Hemifusionsdiaphragma (HD) bildet. Das Öffnen einer Fusionspore im HD führt zur vollständigen Fusion. Mittels konfokaler Mikroskopie wurde die Fusion von Giant unilamellar vesicles (GUVs) mit negativ geladenen Lipiden und transmembranen (TM) Peptiden in Anwesenheit von zweiwertigen Kationen beobachtet, wobei die Peptide bei der HD Entstehung völlig verdrängt wurden. Eine detaillierte Analyse zeigte, dass es sich bei diesem Mikrometer-großen Bereich um ein HD handelt, dessen Größe von der Lipidzusammensetzung und Peptidkonzentration in den GUVs abhängt. Laterale Lipiddomänen gelten als entscheidend für Signal- und Sortierungsprozesse in der Zelle. Liquid ordered (Lo) Domänen in Modellsystemen wie GUVs ähneln den mit Sphingo-lipiden und Cholesterol angereicherten biologischen Raft-Domänen, allerdings scheinen Membraneigenschaften wie die Lipidpackung sich von biologischen Membranen zu unterscheiden. In diesem Zusammenhang wird die Sortierung des TM-verankerten Hemag-glutinin (HA) des Influenzavirus und von lipidverankerten Ras-Proteinen in GUVs wie auch in abgelösten Plasmamembran-Ausstülpungen (GPMVs) untersucht. HA Protein und TM-Pepitde von HA wurden ausschließlich (GUVs) bzw. vorwiegend (GPMVs) in der liquid disordered (Ld) Domäne gefunden. K-Ras wurde inmitten der Ld detektiert, während N-Ras zur Lo/Ld Grenzlinie diffundierte. Diese Ergebnisse werden im Zusammenhang mit den Unterschieden der Lipidpackung innerhalb der verschiedenen membranverankerten Systeme diskutiert. Es ist wahrscheinlich, dass die Bildung, Größe und Stabilität sowie die physikalischen Eigenschaften der Lipiddomänen in biologischen Membranen stark von Protein-Lipid-Wechsel-wirkungen beeinflusst werden. / Membrane fusion is ubiquitous in life and requires remodelling of two phospholipid bilayers. Fusion likely proceeds through similar sequential intermediates. A stalk between the contacting leaflets forms and radially expands into a hemifusion diaphragm (HD) wherein finally a fusion pore opens up. Direct experimental verification of this key structure is difficult due to its transient nature. Confocal microscopy was used to visualize the fusion of giant unilamellar vesicles (GUVs) comprising negatively charged phosphatidylserine and fluorescent transmembrane (TM) entities in the presence of divalent cations. A complete displacement of TM peptides preceded full fusion. This is consistent with HD formation. Detailed analysis provided proof that the micrometer sized structures are in fact HDs. HD size is dependent on lipid composition and peptide concentration. Lateral lipid domain formation is believed to be essential for sorting and signalling processes in the cell. Liquid ordered (Lo) domains in model systems like GUVs resemble biological rafts enriched in sphingolipids and cholesterol, but their physical properties seem distinct from biological membranes as judged by e.g. lipid order and packing. In this context the sorting of TM anchored influenza virus hemagglutinin (HA) and different lipid anchored Ras proteins is studied in GUVs and giant plasma membrane derived vesicles (GPMVs). Authentic HA or the TM domain peptides were sorted exclusively (GUVs) or predominantly (GPMVs) to the liquid disordered (Ld) domains. Whereas K-Ras was found in the bulk Ld domains, N-Ras diffuses to the Lo/Ld interface. These results are discussed with respect to differences in lipid packing in the different membrane systems and regarding the membrane anchors and their hydrophobic matching. The results suggest that the formation, size and stability as well as the physical properties of lipid domains in biological membranes are tightly regulated by protein-lipid interactions.