Sculpting membranes into dynamic, curved shapes is central to intracellular cargo trafficking and other cellular functions. However, generation of membrane curvature during trafficking involves lipids and membrane-associated proteins; current mechanisms focus on creating rigid cages, curved scaffolds, or membrane surface area changes by proteins. This dissertation provides an alternative mechanistic example for the control of membrane deformations, involving modulation of membrane material properties. Sar1, a GTPase of the COPII family, regulates vesicle trafficking from the endoplasmic reticulum. We find that Sar1p lowers the rigidity of the lipid bilayer membrane to which it binds. We examine the behavior of Saccharomyces cerevisiae Sar1 (Sar1p) and Homo sapiens paralogs of Sar1 (Sar1A and Sar1B). Like Sar1p, human Sar1s lower membrane rigidity. Unlike Sar1p, the rigidity is not a monotonically decreasing function of concentration. At high concentrations, we find increased bending rigidity and decreased protein mobility. These features imply a model in which human Sar1 clustering governs membrane mechanical properties. Membrane rigidity measurements remain rare, however, and show a large variance, a situation that can be addressed by improving techniques and comparing disparate techniques applied to the same systems. I introduce applying selective plane illumination microscopy (SPIM) to image thermal fluctuations of giant vesicles. SPIM's optical sectioning enables high-speed fluorescence imaging of freely suspended vesicles and quantification of edge localization precision, yielding robust fluctuation spectra and rigidity estimates. For lipid-only membranes and membranes bound by the intracellular trafficking protein Sar1p, we show rigidity values from giant unilamellar vesicle fluctuations in close agreement with those derived from our independent assay based on membrane tether pulling. We also show that a model of homogeneous quasi-spherical vesicles poorly fits fluctuation spectra of vesicles bound by Sar1A at high concentrations, suggesting that SPIM-based analysis can offer insights into spatially inhomogeneous properties. I conclude by discussing our current work on amphipathic alpha helices, their ability to reduce membrane rigidity, and our hopes to create artificial helical structures capable of mimicking trafficking systems. Supplemental videos represent membrane disintegration with Sar1p and fluctuations of membrane only and Sar1p incubated vesicles. This dissertation contains previously published co-authored material.

Biomechanical properties are key to many cellular functions such as cell division and cell motility and thus are crucial in the development and understanding of several diseases, for instance cancer. The mechanics of the cellular cytoskeleton have been extensively characterized in cells and artificial systems. The rigidity of the plasma membrane, with the exception of red blood cells, is unknown and membrane rigidity measurements only exist for vesicles composed of a few synthetic lipids. In this study, thermal fluctuations of giant plasma membrane vesicles (GPMVs) directly derived from the plasma membranes of primary breast and cervical cells, as well as breast cell lines, are analyzed. Cell blebs or GPMVs were studied via thermal membrane fluctuations and mass spectrometry. It will be shown that cancer cell membranes are significantly softer than their non-malignant counterparts. This can be attributed to a loss of fluid raft forming lipids in malignant cells. These results indicate that the reduction of membrane rigidity promotes aggressive blebbing motion in invasive cancer cells.

Zellmembranen sind hochspezialisierte Mehrkomponentenlegierungen, welche sowohl die Zelle selbst als auch ihre Organellen umgeben. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei vielen biologisch relevanten Prozessen wie die Signaltransduktion und die Zellbewegung. Aus diesem Grund ist eine genaue Charakterisierung ihrer Eigenschaften der Schlüssel zum Verständnis der Bausteine des Lebens sowie ihrer Erkrankungen. Besonders Krebs steht im engen Zusammenhang mit Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften vom Gewebe, Zellen und ihren Organellen. Während Veränderungen des Zytoskeletts von Krebszellen im Fokus vieler Biophysiker stehen, ist die Bedeutung der Biomechanik von Zellmembran weitgehend unklar. Zellmembranen faszinieren Wissenschaftler jedoch nicht nur wegen ihrer biomechanischen Eigenschaften. Sie sind auch Beispiele für eine selbstorganisierte und heterogene Landschaft, in der Prozesse fernab des Gleichgewichtes, wie z.B. räumliche und zeitliche Musterbildungen, auftreten. Die vorgelegte Dissertation untersucht erstmals umfassend die zentrale Rolle der Zellmembran und ihrer molekularen Architektur für die Signalübertragung, die Biomechanik und die Zellmigration. Hierfür werden einfache Modellmembranen aber auch komplexere Vesikel und ganze Zellen mittels etablierter physikalischer Methoden analysiert. Diese reichen von Fourier- Analysen zur Charakterisierung von thermisch angeregten Membranundulationen über Massenspektrometrie und ‘Optical Stretcher’ Messungen von ganzen Zellen bis hin zur Filmwaagentechnik. Des Weiteren wird ein Modellsystem vorgestellt, welches sowohl einen experimentellen als auch einen mathematischen Zugang zum ‘ME-switch’ ermöglicht. Die vorgelegte Dissertation bietet neue Einblicke in wichtige Funktionen von Zellmembranen und zeigt neue therapeutische Perspektiven in der Membran- und Krebsforschung auf.

Zellmembranen sind hochspezialisierte Mehrkomponentenlegierungen, welche sowohl die Zelle selbst als auch ihre Organellen umgeben. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei vielen biologisch relevanten Prozessen wie die Signaltransduktion und die Zellbewegung. Aus diesem Grund ist eine genaue Charakterisierung ihrer Eigenschaften der Schlüssel zum Verständnis der Bausteine des Lebens sowie ihrer Erkrankungen. Besonders Krebs steht im engen Zusammenhang mit Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften vom Gewebe, Zellen und ihren Organellen. Während Veränderungen des Zytoskeletts von Krebszellen im Fokus vieler Biophysiker stehen, ist die Bedeutung der Biomechanik von Zellmembran weitgehend unklar. Zellmembranen faszinieren Wissenschaftler jedoch nicht nur wegen ihrer biomechanischen Eigenschaften. Sie sind auch Beispiele für eine selbstorganisierte und heterogene Landschaft, in der Prozesse fernab des Gleichgewichtes, wie z.B. räumliche und zeitliche Musterbildungen, auftreten. Die vorgelegte Dissertation untersucht erstmals umfassend die zentrale Rolle der Zellmembran und ihrer molekularen Architektur für die Signalübertragung, die Biomechanik und die Zellmigration. Hierfür werden einfache Modellmembranen aber auch komplexere Vesikel und ganze Zellen mittels etablierter physikalischer Methoden analysiert. Diese reichen von Fourier- Analysen zur Charakterisierung von thermisch angeregten Membranundulationen über Massenspektrometrie und ‘Optical Stretcher’ Messungen von ganzen Zellen bis hin zur Filmwaagentechnik. Des Weiteren wird ein Modellsystem vorgestellt, welches sowohl einen experimentellen als auch einen mathematischen Zugang zum ‘ME-switch’ ermöglicht. Die vorgelegte Dissertation bietet neue Einblicke in wichtige Funktionen von Zellmembranen und zeigt neue therapeutische Perspektiven in der Membran- und Krebsforschung auf.:1 Introduction 2 Background 2.1 The Cell Membrane 2.1.1 Lipids in Cell Membranes 2.1.2 Membrane Proteins 2.1.3 An Overview on Membrane Models 2.1.4 Lipid Rafts 2.2 Model Membranes – An Experimental Access to Cell Membranes 2.2.1 Surface Tension and Thermodynamic Equilibrium 2.2.2 Langmuir Monolayer 2.2.3 The Polymorphism of Langmuir Monolayers 2.2.4 Membrane Vesicles 2.3 Biological Membranes as Semiflexible Shells 2.3.1 Elasticity of Soft Shells 2.3.2 Helfrichs Theory About Bending Deformations 2.3.3 Membrane Undulation 2.4 Membranes in Cell Signaling 2.4.1 Signal Transduction Fundamentals 2.4.2 Phosphoinositides 2.4.3 Phosphatidylinositol Signaling Pathway 2.4.4 The Myristoyl-Electrostatic Switch 2.5 Reaction-Diffusion Systems 2.5.1 Diffusion 2.5.2 Michaelis-Menten Kinetics 2.5.3 Reaction-Diffusion Systems 3 Methods, Materials and Theory 3.1 Optical Microscopy 3.1.1 Fluorescence Microscopy 3.1.2 Phase Contrast Microscopy 3.2 Cell Culture and GPMV Formation 3.2.1 Tumor Dissociation and Cell Culturing of Primary Cells 3.2.2 Cell Lines and Cell Culturing 3.2.3 Preparation of Giant Plasma Membrane Vesicles 3.3 Optical Stretcher 3.4 Fourier Analysis of Thermally Excited Membrane Fluctuations 3.4.1 The Quasi-Spherical Model – Membrane Fluctuations 3.4.2 Determination of the Bending Rigidity 3.5 Mass Spectrometry 3.5.1 MALDI-TOF Mass Spectrometry 3.5.2 ESI Mass Spectrometry 3.6 Migration, Invasion and Cell Death Assays 3.7 Langmuir-Blodgett Technique 3.7.1 Langmuir Troughs and Film Balances 3.7.2 Experimental Setup and Monolayer Preperation 3.7.3 Phospholipids, Dyes and Buffer Solutions 4 Fluctuations in Cell Membranes 4.1 Cell Membrane Softening in Human Breast and Cervical Cancer Cells 4.1.1 Bending Rigidity of Human Beast and Cervical Cell Membranes 4.1.2 MALDI-TOF Analysis of Lipid Composition 4.1.3 Summary and Discussion 4.2 Targeting of Membrane Rigidity – Implications on Migration 4.2.1 ESI Tandem Analysis of Lipid Composition 4.2.2 Biomechanical Behavior of Whole Cells and Membranes 4.2.3 Migration and Invasion Behavior 4.2.4 Summary and Discussion 5 Oscillations in Cell Membranes 5.1 Mimicking the ME-switch 5.1.1 DPPC/PIP2 monolayers at the presence of MARCKS 5.1.2 Lateral organization of PIP2 in DPPC/PIP2 monolayers 5.1.3 Translocation of MARCKS 5.1.4 Phosphorylation of MARCKS by PKC 5.1.5 Summary and Discussion 5.2 Dynamic Membrane Structure Induces Temporal Pattern Formation 5.2.1 Mechanism of the Oscillation 5.2.2 Modeling the ME-switch 5.2.3 Time Evolution 5.2.4 Phase Diagrams and Open Systems 5.2.5 Summary and Discussion 6 Conclusion and Outlook Appendix Bibliography List of Figures List of Abbreviations Acknowledgement