Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

Techn. University, Diss., 2005--München.

The unicellular, flagellated parasite Trypanosoma brucei is the causative agent of human African sleeping sickness and nagana in livestock. In the last decades, it has become an established eukaryotic model organism in the field of biology, as well as in the interdisciplinary field of biophysics. For instance, the dense variant surface glycoprotein (VSG) coat offers the possibility to study the dynamics of GPI-anchored proteins in the plasma membrane of living cells. The fluidity of the VSG coat is not only an interesting object of study for its own sake, but is critically important for the survival of the parasite in the mammalian host. In order to maintain the integrity of the coat, the entire VSG coat is recycled within a few minutes. This is surprisingly fast for a purely diffusive process with the flagellar pocket (FP) as the sole site for endo- and exocytosis. Previous studies characterising VSG dynamics using FRAP reported diffusion coefficients that were not sufficient to to enable fast turnover based on passive VSG randomisation on the trypanosome surface. In this thesis, live-cell single-molecule fluorescence microscopy (SMFM) was employed to elucidate whether VSG diffusion coefficients were priorly underestimated or whether directed forces could be involved to bias VSGs towards the entrance of the FP. Embedding the highly motile trypanosomes in thermo-stable hydrogels facilitated the investigation of VSG dynamics on living trypanosomes at the mammalian host's temperature of 37°C. To allow for a spatial correlation of the VSG dynamics to the FP entrance, a cell line was employed harbouring a fluorescently labelled structure as a reference. Sequential two-colour SMFM was then established to allow for recording and registration of the dynamic and static single-molecule information. In order to characterise VSG dynamics, an algorithm to obtain reliable information from short trajectories was adapted (shortTrAn). It allowed for the quantification of the local dynamics in two distinct scenarios: diffusion and directed motion. The adaptation of the algorithm to the VSG data sets required the introduction of an additional projection filter. The algorithm was further extended to take into account the localisation errors inherent to single-particle tracking. The results of the quantification of diffusion and directed motion were presented in maps of the trypanosome surface, including an outline generated from a super-resolved static structure as a reference. Information on diffusion was displayed in one map, an ellipse plot. The colour code represented the local diffusion coefficient, while the shape of the ellipses provided an indication of the diffusion behaviour (aniso- or isotropic diffusion). The eccentricity of the ellipses was used to quantify deviations from isotropic diffusion. Information on directed motion was shown in three maps: A velocity map, representing the amplitude of the local velocities in a colour code. A quiver plot, illustrating the orientation of directed motion, and a third map which indicated the relative standard error of the local velocities colour-coded. Finally, a guideline based on random walk simulations was used to identify which of the two motion scenarios dominated locally. Application of the guideline to the VSG dynamics analysed by shortTrAn yielded supermaps that showed the locally dominant motion mode colour-coded. I found that VSG dynamics are dominated by diffusion, but several times faster than previously determined. The diffusion behaviour was additionally characterised by spatial heterogeneity. Moreover, isolated regions exhibiting the characteristics of round and elongated traps were observed on the cell surface. Additionally, VSG dynamics were studied with respect to the entrance of the FP. VSG dynamics in this region displayed similar characteristics compared to the remainder of the cell surface and forces biasing VSGs into the FP were not found. Furthermore, I investigated a potential interference of the attachment of the cytoskeleton to the plasma membrane with the dynamics of VSGs which are anchored to the outer leaflet of the membrane. Preliminary experiments were conducted on osmotically swollen trypanosomes and trypanosomes depleted for a microtubule-associated protein anchoring the subpellicular microtubule cytoskeleton to the plasma membrane. The measurements revealed a trend that detachment of the cytoskeleton could be associated with a reduction in the VSG diffusion coefficient and a loss of elongated traps. The latter could be an indication that these isolated regions were caused by underlying structures associated with the cytoskeleton. The measurements on cells with an intact cytoskeleton were complemented by random walk simulations of VSG dynamics with the newly determined diffusion coefficient on long time scales not accessible in experiments. Simulations showed that passive VSG randomisation is fast enough to allow for a turnover of the full VSG coat within a few minutes. According to an estimate based on the known rate of endocytosis and the newly determined VSG diffusion coefficient, the majority of exocytosed VSGs could escape from the FP to the cell surface without being immediately re-endocytosed. / Der einzellige, begeißelte Parasit Trypanosoma brucei ist der Erreger der humanen Afrikanischen Schlafkrankheit und Nagana bei Nutztieren. In den vergangenen Jahrzehnten hat er sich sowohl in der Biologie als auch im interdisziplinären Bereich der Biophysik als eukaryotischer Modellorganismus etabliert. So bietet der dichte variant surface glycoprotein (VSG) Mantel beispielsweise die Möglichkeit, die Dynamik von GPI-verankerten Proteinen in der Plasmamembran von lebenden Zellen zu untersuchen. Die Fluidität des VSG-Mantels ist nicht nur um ihrer selbst Willen ein interessantes Studienobjekt, sondern auch von entscheidender Bedeutung für das Überleben des Parasiten im Säugetierwirt. Damit die Integrität des Mantels erhalten bleibt, wird der gesamte VSG Mantel kontinuierlich innerhalb weniger Minuten ausgetauscht. Dies ist erstaunlich schnell für einen rein diffusiven Prozess, bei welchem die Geißeltasche (GT) der einzige Ort für Endo- und Exozytose ist. Bisherige Studien zur Charakterisierung der VSG Dynamik mit FRAP ermittelten Diffusionskoeffizienten, welche nicht ausreichten, um einen schnellen Austausch durch eine passive Randomisierung der VSG auf der Trypanosomenoberfläche zu ermöglichen. In dieser Arbeit wurde die Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie (EMFM) an lebenden Zellen eingesetzt, um herauszufinden, ob die VSG Diffusionskoeffizienten zuvor unterschätzt wurden oder ob gerichtete Kräfte beteiligt sein könnten, um VSGs zum Eingang der GT zu leiten. Die Einbettung der hochmotilen Trypanosomen in thermostabilen Hydrogelen erlaubte die Analyse der VSG Dynamik auf lebenden Trypanosomen bei einer Temperatur des Säugetierwirts von 37°C. Um eine räumliche Korrelation der VSG Dynamik mit dem Eingang zur GT zu ermöglichen, wurde eine Zelllinie verwendet, die eine fluoreszenzmarkierte Struktur als Referenz besaß. Anschließend wurde die sequenzielle EMFM in zwei Farben etabliert, um sowohl die Aufzeichnung als auch die Registrierung der dynamischen und statischen Einzelmolekülinformationen zu gewährleisten. Um die VSG Dynamik zu charakterisieren, wurde ein Algorithmus zur Gewinnung von zuverlässigen Informationen aus kurzen Trajektorien adaptiert (shortTrAn). Dieser ließ die Quantifizierung der lokalen Dynamik anhand zweier unterschiedlicher Szenarien zu: Diffusion und gerichtete Bewegung. Die Anpassung des Algorithmus an die VSG Datensätze erforderte die Einführung eines zusätzlichen Projektionsfilters. Darüber hinaus wurde der Algorithmus erweitert, um die Lokalisierungsfehler zu berücksichtigen, die bei der Verfolgung von Einzelpartikeln unvermeidbar auftreten. Anschließend wurden die Ergebnisse der Quantifizierung von Diffusion und gerichteter Bewegung in Karten präsentiert, die die Trypanosomenoberfläche abbildeten, einschließlich eines Umrisses, der als Referenz aus einer hochaufgelösten statischen Struktur generiert wurde. Die Informationen zur Diffusion wurden in einer Karte, einem Ellipsenplot, dargestellt. Dabei repräsentierte eine Farbkodierung die lokalen Diffusionskoeffizienten, während die Form der Ellipsen einen Hinweis auf das Diffusionsverhalten (aniso- oder isotrope Diffusion) gab. Die Exzentrizität der Ellipsen wurde hierbei genutzt, um die Abweichung von isotroper Diffusion zu quantifizieren. Die Informationen zur gerichteten Bewegung wurden in drei Karten wiedergegeben: Eine Karte für die Geschwindigkeit zeigte die Amplitude der lokalen Geschwindigkeiten farbkodiert. Ein Köcherplot veranschaulichte die Richtung der Geschwindigkeit und eine dritte Karte zeigte den relativen Standardfehler der lokalen Geschwindigkeiten farblich kodiert an. Abschließend wurde ein auf Random-Walk-Simulationen basierender Leitfaden herangezogen, um zu entscheiden, welches der beiden Szenarien lokal dominierte. Die Anwendung des Leitfadens auf die mit shortTrAn analysierte VSG Dynamik ergab Übersichtskarten, in denen der lokal dominierende Bewegungsmodus farblich kodiert war. Ich konnte zeigen, dass die VSG Dynamik von der Diffusion dominiert wird. Jedoch war diese um ein Vielfaches schneller als bisher angenommen. Das Diffusionsverhalten war zudem durch eine räumliche Heterogenität charakterisiert. Des Weiteren wurden auf der Zelloberfläche isolierte Regionen beobachtet, die die Eigenschaften von runden und länglichen Fallen aufwiesen. Zusätzlich wurde die VSG Dynamik in Bezug auf den Eingang der GT untersucht. Die VSG Dynamik in dieser Region wies ähnliche Kennwerte auf wie die restliche Zelloberfläche, und es konnten keine Kräfte festgestellt werden, welche die VSGs in die GT dirigieren. Des Weiteren habe ich den potenziellen Einfluss der Verankerung des Zytoskeletts an der Plasmamembran auf die Dynamik der VSGs untersucht, die in der äußeren Membranschicht verankert sind. Hierzu wurden vorläufige Experimente auf osmotisch geschwollenen Trypanosomen und Trypanosomen durchgeführt, denen ein Mikrotubuli assoziiertes Protein fehlte, welches das subpellikuläre Mikrotubuli-Zytoskelett an der Plasmamembran verankert. Bei den Messungen wurde ein Trend festgestellt, wonach die Ablösung des Zytoskeletts mit einer Verringerung des VSG Diffusionskoeffizienten und dem Verlust der länglichen Fallen korrelieren könnte. Letzteres könnte ein Hinweis darauf sein, dass diese isolierten Regionen durch darunter liegende, mit dem Zytoskelett verbundene Strukturen verursacht wurden. Die Messungen auf Zellen mit intaktem Zytoskelett wurden durch Random-Walk-Simulationen von VSG Trajektorien mit dem neu ermittelten Diffusionskoeffizienten auf langen, experimentell nicht zugänglichen Zeitskalen ergänzt. Die Simulationen zeigten, dass die passive Randomisierung der VSGs schnell genug ist, um einen Austausch des gesamten VSG Mantels innerhalb weniger Minuten zu ermöglichen. Einer Schätzung zufolge, die auf der bekannten Endozytoserate und dem neu ermittelten VSG Diffusionskoeffizienten basierte, könnte der Großteil der exozytierten VSGs aus der GT zur Zelloberfläche gelangen, ohne unmittelbar wieder endozytiert zu werden.

Laut der Weltgesundheitsorganisation (WHO) waren in Deutschland 2006 akute ischämische Ereignisse des Zentralen Nervensystems (ZNS) die fünfthäufigste Todesursache. Zu diesen ischämischen Ereignissen zählen Schlaganfall, Kardiopulmonale Reanimation, traumatische Hirnverletzungen, sowie perioperative ischämische Komplikationen. Aufgrund der schwerwiegenden Folgen, die ein Verlust von Nervenzellen für den Patienten bedeutet, muss die weitere medizinische Akutversorgung den sekundären neuronalen Schaden verhindern oder ihn reduzieren. Vor dieser Arbeit konnten Glukosetransporter-1 (GLUT-1) und Natrium-Glukose-Kotransporter-1 (SGLT1) an der Blut-Hirn-Schranke (BHS) identifiziert werden. Ziel dieser Arbeit war es, das Expressionsverhalten der Glukosetransporter nach einem Schädel-Hirn-Trauma (SHT) in vivo und in vitro zu untersuchen, um so den Einfluss und die funktionellen Folgen durch die veränderte Expression der zerebralen Glukosetransporter in der BHS infolge eines SHT zu identifizieren und deren eventuellen Einfluss auf die Entwicklung eines sekundären Hirnödems zu erkennen. Hierfür wurde als in vivo-Modell das Controlled Cortical Impact Injury (CCII) gewählt, da bei diesem Tierversuchsmodell die Aspekte der traumatischen Kontusion und die damit verbundenen intraparenchymalen Blutungen durch ein epidurales oder subdurales Hämatom im Vordergrund stehen. Es wurden Gehirnschnitte zu fest definierten Zeitpunkten angefertigt (kein CCII (Kontrolle), 15 Minuten Überleben nach CCII (Primärschaden), 24 Stunden Überleben nach CCII und 72 Stunden Überleben nach CCII). Die Darstellung des primären Schadens im Mäusehirn erfolgte durch die Immunfluoreszenzmikroskopie. Um einen Gewebeschaden, wie es bei einem Hirntrauma der Fall ist, in vitro zu simulieren, wurde das Modell des Sauerstoff-Glukose-Entzuges (OGD) gewählt, da es bei diesem Modell neben einer Nekrose auch zur Apoptose der Nervenzellen kommt, welche ebenfalls bei einem SHT stattfindet. Als geeignetes Zellkulturmodell wurde die cerebralen Endothelzelllinie (cEND) gewählt. Bei dieser Zelllinie handelte es sich um eine Hirnendothelzelllinie aus der Maus. In den in vivo-Versuchen konnte bei GLUT-1 bereits 15 Minuten nach CCII eine gesteigerte Expression festgestellt werden. Dennoch verminderte GLUT-1 im weiteren Verlauf seine Expression auf ein Minimum, welches unterhalb des Ausgangswertes lag. SGLT1, der auch in der BHS identifiziert wurde, reagierte auf einen Primärschaden erst in den Hirnschnitten, die 24 Stunden nach CCI behandelt wurden. In den Hirnschnitten, die 15 Minuten nach CCII behandelt wurden, veränderte sich die SGLT1-Expression zunächst nicht. Erst 24 Stunden nach CCII konnte eine gesteigerte Expression von SGLT1 erkannt werden, die aber bei 72 Stunden nach CCII wieder abgenommen hatte. Ein weiterer Glukosetransporter konnte erstmals in der BHS identifiziert werden. SGLT2 zeigte erst 72 Stunden nach CCII eine gesteigerte Expression, in den Hirnschnitten ohne CCII, 15 Minuten nach CCII und 24 Stunden nach CCII konnte keine Veränderung der SGLT2-Expression festgestellt werden. Diese Expressionsreaktion, besonders der Expressions-Höhepunkt der einzelnen Glukosetransporter, konnte auch in vitro gezeigt werden. Besonders die Identifizierung von SGLT2 in der BHS und die generelle Steigerung der Expressionsrate von GLUT-1, SGLT1 und SGLT2 könnte neue Ansatzpunkte in der Pathophysiologie des diffusen Hirnödems nach einem SHT ergeben. Die genaue Rolle der Natriumgekoppelten Glukosetransporter in der BHS muss noch weiter erforscht werden. Bestätigen weitere Versuche eine zentrale Rolle der SGLTs bei der Entstehung des sekundären Hirnschadens, speziell SGLT2, als hochpotenter Glukosetransporter, so könnte über neue Therapien nachgedacht werden, durch welche spezifisch die Expression der SGLTs, besonders SGLT2, wie es bei Dapagliflozin, Canagliflozin oder Ipragliflozin der Fall wäre, unterdrücken würden. / According to the World Health Organization (WHO) the acute ischemic events of the central nervous system (CNS) were the fifth most common mortality in Germany in 2006. To this belong stroke, cardiopulmonary resuscitation, traumatic brain injuries, as well as perioperative ischemic complications. Because of the fatal consequences for a patient which means a death of nerve the medical acute care must be prevent the secondary neuronal damage. Before this work the glucose transporter 1 (GLUT-1) and sodium-glucose cotransporter-1 (SGLT1) are identified at the blood-brain barrier (BBB). The aim of this study was to analyze the expression characteristics of the glucose transporters after a traumatic brain injury (TBI) in vivo and in vitro. These results may show the influence and the functional consequences of the altered expression of cerebral glucose transporters in the BBB as a result of TBI. This allows to recognize a potential impact on the development of cerebral edema. We use for this the model of the controlled cortical impact injury (CCII) as an in vivo model. Brain trauma was induced and animals were randomly assigned to three survival groups: 15 min, 24 h and 72 h, which were compared to native – no CCII – animals. The depiction of the primary damage in mouse brain was performed by immunofluorescence microscopy. To simulate the tissue damage in vitro we use the model of oxygen-glucose deprivation (OGD). As a suitable cell culture model of the cerebral endothelial cell line (cEND) was chosen. In this cell line, there was a cerebrum endothelium cells of the capillary endothelium from the mouse brain. In summary, immunofluorescence images revealed presence of sglt1 and sglt2 in the blood-brain barrier which was inducible by CCII. Strongest expression of sglt1 in the brain endothelium was found after 24 hours and of sglt2 after 72 hours after CCII suggesting different and time dependent roles of these two transporters during edema formation. This expression, especially the expression peak of the individual glucose transporter could be also demonstrated in vitro model. In particular, the identification of SGLT2 in the BBB and the general increase of the expression of GLUT-1, SGLT1 and SGLT2 might be a new starting point in the pathophysiology of diffuse cerebral edema. Indicate further experiments a central role of SGLTs in the development of secondary brain damage, particularly SGLT2, as an highly potent glucose transporter, it could be given to new therapies through which suppress specific the expression of SGLT2.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen einer kooperativen Promotion zwischen der TU Dresden und der Hochschule Mittweida angefertigt. In dieser werden neuartige, computerorientierte Ansätze für die Analyse von Membranproteinen vorgestellt. Membranproteine sind von essentieller Bedeutung für eine Vielzahl biologischer Prozesse innerhalb eines Organismus und stellen wichtige Zielmoleküle für eine breite Palette von Pharmazeutika dar. Ihre Sequenzen liefern wertvolle und teilweise noch nicht entschlüsselte Informationen über die dreidimensionale Struktur und funktionale Eigenschaften. Innerhalb der Proteomik und Genomik stellen Analysen an Membranproteinstrukturen einen wichtigen Teil für das Verständnis komplexer biologischer Prozesse dar. Im Zuge von Untersuchungen an Membranproteinen konnte eine Vielzahl kurzer wiederkehrender Muster, sogenannte Motive, in den Sequenzen von Membranproteinen beobachtet werden. Diese Motive unterstützen das Verständnis, wie sich Membranproteine in der Zellmembran falten. Im Fokus dieser Arbeit stehen derartige Sequenzmotive. Innerhalb von drei Projekten bilden ausschließlich sequenzmotivbasierte Ansätze die Grundlage für nähere Untersuchungen an Membranproteinstrukturen. Letztendlich liefern die in dieser Arbeit postulierten Methoden wertvolle Erkenntnisse über die strukturelle und funktionelle Rolle von Sequenzmotiven, auf deren Grundlage dazu beigetragen wird, den komplexen Aufbau von Membranproteinen besser verstehen zu können. Generell wird die Zusammenführung proteomischer und mutagener Informationen intensiviert. Nicht zuletzt wird dazu beigetragen, die in dieser Arbeit zusammengetragenen Ergebnisse, für die Planung von in vitro Experimenten sowie weiterführenden Arbeiten auf dem Gebiet der Membranproteinanalyse, der Wissenschaft zur Verfügung zu stellen. / The present work was written as part of a cooperative doctorate between the TU Dresden and the University of Applied Sciences Mittweida. In the doctoral thesis, novel, computer-oriented approaches for the analysis of membrane proteins are presented. Membrane proteins are essential for many cellular processes and are important targets for a wide range of pharmaceuticals. Their sequences provide valuable and partly not yet decoded information about their three-dimensional structure and functional characteristics. The analysis of membrane proteins is an important part for the understanding of complex biological processes in the context of proteomics and genomics. Research of membrane proteins revealed a large number of short, distinct sequence motifs. The motifs found so far support the understanding of the folded protein in the Membrane environment. In this dissertation, in three different approaches it is shown how the output of sequence motif-based methods can support the understanding of structural and functional properties of membrane proteins. In general, the junction of proteomic and mutagenic information is intensified. Last but not least, the results of this work are made available for the planning of in vitro experiments as well as for further works in the field of membrane Protein analysis.

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen einer kooperativen Promotion zwischen der TU Dresden und der Hochschule Mittweida angefertigt. In dieser werden neuartige, computerorientierte Ansätze für die Analyse von Membranproteinen vorgestellt. Membranproteine sind von essentieller Bedeutung für eine Vielzahl biologischer Prozesse innerhalb eines Organismus und stellen wichtige Zielmoleküle für eine breite Palette von Pharmazeutika dar. Ihre Sequenzen liefern wertvolle und teilweise noch nicht entschlüsselte Informationen über die dreidimensionale Struktur und funktionale Eigenschaften. Innerhalb der Proteomik und Genomik stellen Analysen an Membranproteinstrukturen einen wichtigen Teil für das Verständnis komplexer biologischer Prozesse dar. Im Zuge von Untersuchungen an Membranproteinen konnte eine Vielzahl kurzer wiederkehrender Muster, sogenannte Motive, in den Sequenzen von Membranproteinen beobachtet werden. Diese Motive unterstützen das Verständnis, wie sich Membranproteine in der Zellmembran falten. Im Fokus dieser Arbeit stehen derartige Sequenzmotive. Innerhalb von drei Projekten bilden ausschließlich sequenzmotivbasierte Ansätze die Grundlage für nähere Untersuchungen an Membranproteinstrukturen. Letztendlich liefern die in dieser Arbeit postulierten Methoden wertvolle Erkenntnisse über die strukturelle und funktionelle Rolle von Sequenzmotiven, auf deren Grundlage dazu beigetragen wird, den komplexen Aufbau von Membranproteinen besser verstehen zu können. Generell wird die Zusammenführung proteomischer und mutagener Informationen intensiviert. Nicht zuletzt wird dazu beigetragen, die in dieser Arbeit zusammengetragenen Ergebnisse, für die Planung von in vitro Experimenten sowie weiterführenden Arbeiten auf dem Gebiet der Membranproteinanalyse, der Wissenschaft zur Verfügung zu stellen. / The present work was written as part of a cooperative doctorate between the TU Dresden and the University of Applied Sciences Mittweida. In the doctoral thesis, novel, computer-oriented approaches for the analysis of membrane proteins are presented. Membrane proteins are essential for many cellular processes and are important targets for a wide range of pharmaceuticals. Their sequences provide valuable and partly not yet decoded information about their three-dimensional structure and functional characteristics. The analysis of membrane proteins is an important part for the understanding of complex biological processes in the context of proteomics and genomics. Research of membrane proteins revealed a large number of short, distinct sequence motifs. The motifs found so far support the understanding of the folded protein in the Membrane environment. In this dissertation, in three different approaches it is shown how the output of sequence motif-based methods can support the understanding of structural and functional properties of membrane proteins. In general, the junction of proteomic and mutagenic information is intensified. Last but not least, the results of this work are made available for the planning of in vitro experiments as well as for further works in the field of membrane Protein analysis.

Although the basic structure of biological membranes is provided by the lipid bilayer, most of the specific functions are carried out by membrane proteins (MPs) such as channels, ion-pumps and receptors. Additionally, it is known, that mutations in MPs are directly or indirectly involved in many diseases. Thus, structure determination of MPs is of major interest not only in structural biology but also in pharmacology, especially for drug development. Advances in structural biology of membrane proteins (MPs) have been strongly supported by the success of three leading techniques: X-ray crystallography, electron microscopy and solution NMR spectroscopy. However, X-ray crystallography and electron microscopy, require highly diffracting 3D or 2D crystals, respectively. Today, structure determination of non-crystalline solid protein preparations has been made possible through rapid progress of solid-state MAS NMR methodology for biological systems. Castellani et. al. solved and refined the first structure of a microcrystalline protein using only solid-state MAS NMR spectroscopy. These successful application open up perspectives to access systems that are difficult to crystallise or that form large heterogeneous complexes and insoluble aggregates, for example ligands bound to a MP-receptor, protein fibrils and heterogeneous proteins aggregates. Solid-state MAS NMR spectroscopy is in principle well suited to study MP at atomic resolution. In this thesis, different types of MP preparations were tested for their suitability to be studied by solid-state MAS NMR. Proteoliposomes, poorly diffracting 2D crystals and a PEG precipitate of the outer membrane protein G (OmpG) were prepared as a model system for large MPs. Results from this work, combined with data found in the literature, show that highly diffracting crystalline material is not a prerequirement for structural analysis of MPs by solid-state MAS NMR. Instead, it is possible to use non-diffracting 3D crystals, MP precipitates, poorly diffracting 2D crystals and proteoliposomes. For the latter two types of preparations, the MP is reconstituted into a lipid bilayer, which thus allows the structural investigation in a quasi-native environment. In addition, to prepare a MP sample for solid-state MAS NMR it is possible to use screening methods, that are well established for 3D and 2D crystallisation of MPs. Hopefully, these findings will open a fourth method for structural investigation of MP. The prerequisite for structural studies by NMR in general, and the most time consuming step, is always the assignment of resonances to specific nuclei within the protein. Since the last few years an ever-increasing number of assignments from solid-state MAS NMR of uniformly carbon and nitrogen labelled samples is being reported, mostly for small proteins of up to around 150 amino acids in length. However, the complexity of the spectra increases with increasing molecular weight of the protein. Thus the conventional assignment strategies developed for small proteins do not yield a sufficiently high degree of assignment for the large MP OmpG (281 amino acids). Therefore, a new assignment strategy to find starting points for large MPs was devised. The assignment procedure is based on a sample with [2,3-13C, 15N]-labelled Tyr and Phe and uniformly labelled alanine and glycine. This labelling pattern reduces the spectral overlap as well as the number of assignment possibilities. In order to extend the assignment, four other specifically labelled OmpG samples were used. The assignment procedure starts with the identification of the spin systems of each labelled amino acid using 2D 13C-13C and 3D NCACX correlation experiments. In a second step, 2D and 3D NCOCX type experiments are used for the sequential assignment of the observed resonances to specific nuclei in the OmpG amino acid sequence. Additionally, it was shown in this work, that biosynthetically site directed labelled samples, which are normally used to observe long-range correlations, were helpful to confirm the assignment. Another approach to find assignment starting points in large protein systems, is the use of spectroscopic filtering techniques. A filtering block that selects methyl resonances was used to find further assignment starting points for OmpG. Combining all these techniques, it was possible to assign nearly 50 % of the observed signals to the OmpG sequence. Using this information, a prediction of the secondary structure elements of OmpG was possible. Most of the calculated motifs were in good aggreement with the crystal structures of OmpG. The approaches presented here should be applicable to a wide variety of MPs and MP-complexes and should thus open a new avenue for the structural biology of MPs. / Biologische Membranen bestehen hauptsächlich aus Lipiden, ihre Funktion wird jedoch vor allem durch die eingebetteten Membranproteine (z.B. Kanäle, Ionenpumpen und Rezeptoren) bestimmt. Mutationen in dieser Proteinklasse können zum Auftreten verschiedener Krankheitsbilder führen, weshalb die Untersuchung der dreidimensionalen Struktur von Membranproteinen nicht nur von strukturbiologischem, sondern auch von pharmakologischem Interesse ist. In den letzten Jahren wurde eine Methode, die Festkörper NMR Spektroskopie, für Strukturuntersuchungen an Proteinproben im festen Aggregatzustand entwickelt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit drei verschiedenen Präparationsarten von Membranproteinen, die eine Aufnahme von hochaufgelösten Festkörper NMR Spektren erlauben. Als Modelsystem wurde das Protein G der äußeren Membrane (outer membrane protein G, OmpG) von Escherichia coli gewählt. Eine wichtige Vorraussetzung zur Berechnung der Proteinstruktur aus den NMR-Spektren, ist die Zuordnung der einzelnen Signale zur jeweiligen Aminosäure in der Proteinsequenz. In dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, die das Auffinden von Startpunkten für die sequentielle Zuordnung in großen Membranproteinen, wie zum Bsp. OmpG (281 Aminosäuren), erlaubt. Multidimensionale NMR Experimente mit verschieden spezifisch markierten Proben wurden durchgeführt und ermöglichten die Zuordnung von 50 % der NMR Signale der OmpG Proteinsequenz. Zur Überprüfung der gewonnenen Daten wurden diese zur Vorhersage von Sekundärstrukturelementen genutzt. Es konnte gezeigt werden, dass die berechneten Strukturmotive in guter Übereinstimmung zu den bisher veröffentlichten OmpG Strukturen liegen. Die in dieser Arbeit angewendeten Methoden sollten auf eine Vielzahl anderer Membranprotein anwendbar und somit einen neuen Weg zur Strukturbiologischen Untersuchung von Membranproteinen eröffnen.

Relatively little is known about the folding and stability of membrane proteins. Conventional thermal or chemical unfolding techniques probe the average behavior of large numbers of molecules and thus cannot resolve co-existing minor and major unfolding pathways and intermediates. Here, I applied single-molecule force measurements based on an atomic force microscope (AFM) to characterize the stability of the membrane protein bacteriorhodopsin (BR). In these mechanical unfolding experiments, an external pulling force played the role of the denaturant and lead to unfolding of the three-dimensional structure of individual proteins. It was found that single BRs unfold step-wise in a well-defined sequence of stable intermediates and in different unfolding pathways. Although single [alpha]-helices were sufficiently stable to unfold in individual steps they also exhibited certain probabilities to unfold in pairs. These observations support the "two-stage" and the "helical-hairpin" model of membrane protein folding. Dynamic force measurements showed that [alpha]-helices and helical hairpins are relatively rigid structures, which are stabilized by narrow energy barriers and have stabilities between 100-10?000 seconds. These forced unfolding experiments were complemented with the development of new force measurement techniques. It is demonstrated that hydrodynamic effects need to be considered to obtain more complete kinetic pictures of single molecules. In addition, two force spectroscopy approaches to measure the complex visco-elastic response of single molecules are presented and applied to BR. These experiments revealed that the unfolding patterns of single proteins are dominated by purely elastic polypeptide extension and determined the dissipative interactions associated with the unfolding of single [alpha]-helices. In addition, it was found that kinks result in a reduced unfolding cooperativity of [alpha]-helices.

Beta-barrel outer membrane proteins (OMPs) present on the outer membrane of Gram-negative bacteria are vital to cell survival. Their biogenesis is a challenging process which is tightly regulated by protein-chaperone interactions at various stages. Upon secretion from the inner membrane, OMPs are solubilized by periplasmic chaperones seventeen kilodalton protein (Skp) and survival factor A (SurA) and maintained in a folding competent state until they reach the outer membrane. As periplasm has an energy deficient environment, thermodynamics plays an important role in fine tuning these chaperone-OMP interactions. Thus, a complete understanding of such associations necessitates an investigation into both structural and thermodynamic aspects of the underlying intercommunication. Yet, they have been difficult to discern because of the conformational heterogeneity of the bound substrates, fast chain dynamics and the aggregation prone nature of OMPs. This demands for use of single molecule spectroscopy techniques, specifically, single molecule Förster resonance energy transfer (smFRET). In this thesis, upon leveraging the conformational and temporal resolution offered by smFRET, an exciting insight is obtained into the mechanistic and functional features of unfolded and Skp/SurA - bound states of two differently sized OMPs: OmpX (8 β-strands) and outer membrane phospholipase A (OmpLA – 12 β-strands). First, it was elucidated that the unfolded states of both the proteins exhibit slow interconversion within their sub-populations. Remarkably, upon complexing with chaperones, irrespective of the chosen OMP, the bound substrates expanded with localised chain reconfiguration on a sub-millisecond timescale. Yet, due to the different interaction mechanisms employed by Skp (encapsulation) and SurA (multivalent binding), their clients were found to be characterised by distinct conformational ensembles. Importantly, the extracted thermodynamic parameters of change in enthalpy and entropy exemplified the mechanistically dissimilar functionalities of the two chaperones. Furthermore, both Skp and SurA were found to be capable of disintegrating aggregated OMPs rather cooperatively, highlighting their multifaceted chaperone activity. This work is of significant fundamental value towards understanding the ubiquitous chaperone-protein interactions and opens up the possibility to design drugs targeting the chaperone-OMP complex itself, one step ahead of the OMP assembly on the outer membrane.