Die kombinierte Mikroperfusions-/Ladungspulstechnik an einzelligen marinen Riesenalgen ermöglicht die getrennte Darstellung der elektrischen Eigenschaften von Plasmalemma und Tonoplast durch gezielte Manipulation des vakuolären und externen Mediums. Dabei kann der für die Physiologie der Zellen wichtige hydrostatische Innendruck (Turgor) ständig kontrolliert werden. Die Applikation eines Ladungspulses resultierte bei Valonia utricularis und Ventricaria ventricosa in einer biphasischen Relaxation des Gesamt-membranpotentials, die durch die Summe zweier Exponentialfunktionen beschrieben werden konnte. Die Zeitkonstanten dieser beiden Relaxationen lagen dabei im Bereich von 0.1 ms und 1 ms (V. utricularis), bzw. 0.1 ms und 10 ms (V. ventricosa). Addition von Nystatin (einem membranimpermeablen und porenbildenden Antibiotikum) zu der vakuolären Perfusionslösung führte bei beiden Spezies zu einem Verschwinden der langsamen Relaxation des Spektrums, während über das Badmedium (extern) dotiertes Nystatin die Zeitkonstante der schnellen Komponente dramatisch verringerte. Die jeweils andere Relaxation blieb dabei unbeeinflusst. Folglich muss die schnelle Relaxation den RC-Eigenschaften des Plasmalemmas und die langsame den Eigenschaften des Tonoplasten zugeordnet werden. Dies ist ein klarer Beweis für das sog. "Zwei-Membranen Modell". In Übereinstimmung damit beeinflussten externe Ionentauschexperimente sowie externe Zugabe von Kanal/Carrier-Inhibitoren wie TEA (Tetraethylammonium), Ba2+ und DIDS (4,4'-Diisothiocyanatostilben-2,2'-Disulfonsäure), nur die schnelle Relaxation des Ladungspulsspektrums, nicht aber die langsame. Dagegen hatte die Zugabe dieser Inhibitoren zu der vakuolären Perfusionslösung keinen signifikanten Einfluss auf das Relaxationspektrum der marinen Algen. Bei der Berechnung der passiven Membranparameter fiel eine ungewöhnlich hohe flächenspezifische Kapazität des Tonoplasten auf, die nach elektronenmikroskopischen Untersuchungen mit einer etwa 9-fachen Oberflächenvergrößerung erklärt werden konnte. Diese resultierte aus tubulären Ausstülpungen des Tonoplasten, die in das Zytosol hineinreichen. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass - entgegen der Lehrmeinung - der Widerstand des Tonoplasten mariner Algen hoch ist (0.3 bis 1.1 Ohm m²) und somit Werte aufweist, die mit Messungen an Vakuolen höherer Pflanzen vergleichbar sind. Darüber hinaus ergaben Nystatin-Experimente, dass das Zytoplasma von V. ventricosa stark negativ geladen ist (bis zu -70 mV). Neben vielen Gemeinsamkeiten existieren auch klare Unterschiede in der Physiologie dieser Algen. Während bei V. ventricosa die Plasmalemmaleitfähigkeit durch Kalium dominiert wurde, war das Plasmalemma von V. utricularis deutlich permeabler für Chlorid als für Kalium. Variation des externen pH-Wertes wirkte sich nur bei V. utricularis, nicht aber bei V. ventricosa, im Relaxationsspektrum in einer drastischen Erhöhung der schnellen Zeitkonstante aus. Für die Analyse turgorgesteuerter Membrantransportprozesse an marinen Algen bedeuten diese Arbeiten einen methodischen Durchbruch, so dass die vollständige Aufklärung der biophysikalischen Prozesse, die mit der Turgorregulation assoziiert werden, unmittelbar bevorsteht. / The intergrated perfusion/charge-pulse technique allows the separated determination of the electrical properties of the tonoplast and the plasmalemma of giant-celled marine algae with exact manipulation of the vacuolar and external solution. The hydrostatic pressure in the cells (the so-called turgor-pressure), which is one of the most important parameters for the physiology of the cell, can easily be regulated during the experiments. The charge-pulse relaxation spectrum of Valonia utricularis and Ventricaria ventricosa showed a biphasic shape that could be described by the sum of two exponentials decays. The time constants of the two relaxations were calculated to be around 0.1 ms and 1 ms (V. utricularis), and 0.1 ms and 10 ms (V. ventricosa), respectively. Addition of nystatin (a membrane-impermeable and pore-forming antibiotic) to the the vacuolar perfusion-solution of both species resulted in the disappearance of the slow exponential of the spectrum, wheras the presence of nystatin in the bath decreased dramatically the time constant of the fast component. The other relaxation remained unaffected. Consequently, the fast relaxation process must be assigned to the RC-properties of the plasmalemma and the slow one to those of the tonoplast. This is a clear proof for the so-called "two-membrane model". Consistent with this, external variation of the major ions as well as external addition of channel/carrier inhibitors like TEA (tetraethyammonium), Ba2+ and DIDS (4,4'-diisothiocyanatostilbene-2,2'-disulfonic acid) affected only the fast relaxation, but not the slow one. In contrast, addition of these blockers to the vacuolar perfusion solution showed no measurable effect on the charge-pulse relaxation spectrum of the marine algae. Calculating the individual passive electrical parameters of the membranes, an unusually high area-specific capacitance of the tonoplast was detected. According to electronmicroscopic studies this could be explained by a approximately 9-fold enlargement of the tonoplast surface showing tubular "fingers" invading the cytoplasm. Above that it could be demonstrated that the area-specific resistance of the tonoplast of V. utricularis and V. ventricosa is high (0.3 to 1.1 ohm m²) and thus comparable with data observed on vacuoles of higher plants. Furthermore, the nystatin-studies indicated that the cytoplasm is negatively charged (up to -70 mV). Although they have a lot in common, the two species exhibit some clear differences in their physiology. With V. ventricosa, the conductance of the plasmalemma was dominated by K+, whereas the plasmalemma of V. utricularis was more permeable to Cl- than to K+. Variation of the external pH had a significant effect on the charge-pulse relaxation spectrum only of V. utricularis but not of V. ventricosa. The presented studies can be seen as a technical breakthrough in the analysis of turgor-regulated transport processes of marine algae. A complete elucidation of the biophysical properties which contribute to the turgorregulation can now be achieved.

University, Diss., 2003--München.

Regensburg, Univ., Diss., 2004. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2003

Würzburg, Univ., Diss., 2001.

Universiẗat, Diss., 2001--Osnabrück.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Berlin.

Universiẗat, Diss., 2003--Bielefeld.

Cellular membranes form a boundary to shield the inside of a cell from the outside. This is of special importance for bacteria, unicellular organisms whose membranes are in direct contact with the environment. The membrane needs to allow the reception of information about beneficial and harmful environmental conditions for the cell to evoke an appropriate response. Information gathering is mediated by proteins that need to be correctly organized in the membrane to be able to transmit information. Several principles of membrane organization are known that show a heterogeneous distribution of membrane lipids and proteins. One of them is functional membrane microdomains (FMM) which are platforms with a distinct lipid and protein composition. FMM move within the membrane and their integrity is important for several cellular processes like signal transduction, membrane trafficking and cellular differentiation. FMM harbor the marker proteins flotillins which are scaffolding proteins that act as chaperones in tethering protein cargo to FMM. This enhances the efficiency of cargo protein oligomerization or complex formation which in turn is important for their functionality. The bacterium Bacillus subtilis contains two flotillin proteins, FloA and FloT. They form different FMM assemblies which are structurally similar, but differ in the protein cargo and thus in the specific function. In this work, the mobility of FloA and FloT assemblies in the membrane was dissected using live-cell fluorescence microscopy techniques coupled to genetic, biochemical and molecular biological methods. A characteristic mobility pattern was observed which revealed that the mobility of both flotillins was spatially restricted. Restrictions were bigger for FloT resulting in a decreased diffusion coefficient compared to FloA. Flotillin mobility depends on the interplay of several factors. Firstly, the intrinsic properties of flotillins determine the binding of different protein interaction partners. These proteins directly affect the mobility of flotillins. Additionally, binding of interaction partners determines the assembly size of FloA and FloT. This indirectly affects the mobility, as the endo-cytoskeleton spatially restricts flotillin mobility in a size-dependent manner. Furthermore, the extracellular cell wall plays a dual role in flotillin mobility: its synthesis stimulates flotillin mobility, while at the same time its presence restricts flotillin mobility. As the intracellular flotillins do not have spatial access to the exo-cytoskeleton, this connection is likely mediated indirectly by their cell wall-associated protein interaction partners. Together the exo- and the endo-cytoskeleton restrict the mobility of FloA and FloT. Similar structural restrictions of flotillin mobility have been reported for plant cells as well, where the actin cytoskeleton and the cell wall restrict flotillin mobility. These similarities between eukaryotic and prokaryotic cells indicate that the restriction of flotillin mobility might be a conserved mechanism. / Zelluläre Membranen bilden eine Barriere um das Zellinnere von dem -äußeren abzuschirmen. Das ist insbesondere bei Bakterien wichtig, einzellige Organismen, deren Membranen in direktem Kontakt zu ihrer Umgebung stehen. Die Membran muss es ermöglichen, Informationen über mögliche vorteilhafte oder schädliche Einflüsse in der Umgebung wahrzunehmen, damit die Zelle dementsprechend eine Reaktion initiieren kann. Die Informationsaufnahme und die resultierenden Reaktionen werden von Membranproteinen in Gang gesetzt, deren Organisation in der Membran Voraussetzung für ihre Funktionalität ist. Mehrere Prinzipien zur Membranorganisation sind bekannt, die alle eine heterogene Verteilung von Proteinen und Lipiden zu Grunde legen. Ein Beispiel für ein solches Prinzip sind funktionelle Membranmikrodomänen (FMM), Plattformen mit einer besonderen Lipid- und Proteinzusammensetzung. FMM bewegen sich in der Membran und ihre Integrität ist für viele zelluläre Prozesse wichtig, zum Beispiel für Signaltransduktion, Membrantransport oder zur zellulären Differenzierung. Flotilline sind Markerproteine für FMM. Sie bilden eine Art Gerüst und funktionieren als Chaperone, indem sie die sogenannten Frachtproteine in den FMM binden. Dort wird die Effizienz der Oligomerisierung oder Komplexbildung der Frachtproteine gesteigert, was für ihre Funktionalität und die ihrer assoziierten Prozesse von Bedeutung ist. In dem Bakterium Bacillus subtilis gibt es zwei Flotilline, FloA und FloT. Diese formen FMM Plattformen, die zwar strukturell ähnlich sind, sich aber in ihren Frachtproteinen und somit auch in ihren spezifischen Funktionen unterscheiden. In dieser Arbeit wurde die Mobilität der FloA- und FloT-abhängigen Plattformen in der Membran untersucht. Dafür wurden Technologien der Fluoreszenzmikroskopie mit genetischen, biochemischen und molekularbiologischen Ansätzen kombiniert. Charakteristische Bewegungsmuster wurden beobachtet, die zeigten, dass die Beweglichkeit beider Flotilline räumlich begrenzt war. Dabei war die Einschränkung für FloT größer, und dementsprechend der Diffusionskoeffizient kleiner verglichen mit FloA. Die Mobilität von FloA und FloT hängt von dem Zusammenspiel mehrerer Faktoren ab. Zum einen bestimmen intrinsische Eigenschaften der Flotillinproteine ihre Fähigkeit verschiedene Interaktionspartner zu binden. Diese wirken sich dann direkt auf die Mobilität von Flotillinen aus. Des Weiteren bestimmt die Bindung verschiedener Interaktionspartner auch die Größe der FloA- und FloT- abhängigen Plattformen. Die resultierenden Größen beeinflussen die Mobilität indirekt, da das zelluläre Innenskelett die Flotillinmobilität räumlich in größenabhängiger Weise begrenzt. Außerdem spielt das Außenskelett der Zelle, die Zellwand, eine zweifache Rolle: die Zellwandsynthese fördert die Mobilität der Flotilline, während die Zellwand an sich gleichzeitig die Mobilität der Flotilline einschränkt. Da Flotilline räumlich keine Verbindung zum Außenskelett haben, wird diese Verbindung wahrscheinlich durch ihre Zellwand-assoziierten Interaktionspartner übermittelt. Zusammenfassend beschränken das Außen- und das Innenskelett die Mobilität von FloA und FloT. In Pflanzen wurden ähnliche strukturelle Beschränkungen der Mobilität von Flotillinen durch das Aktin- Zytoskelett und die Zellwand beschrieben. Diese Ähnlichkeit zwischen prokaryotischen und eukaryotischen Zellen deutet darauf hin, dass die Beschränkung der Mobilität der Flotillin-Plattformen ein konservierter Mechanismus sein könnte.

Eukaryotic cells are considered as evolutionary complex organisms because they possess organelles that enable them to regulate the spatio-temporal organization of cellular processes. Spatio-temporal organization of signal transduction cascades occurs in eukaryotic cells via organization of membrane-associated microdomains or lipid rafts. Lipid rafts are nanoscale-sized domains in the plasma membrane that are constituted by a specific set of lipids and proteins and harbor a number of proteins related to signal transduction and trafficking. The integrity of lipid rafts is important for the assembly and functional coordination of a plethora of signaling networks and associated processes. This integrity is partially mediated by a chaperone protein called flotillin. Disruption of lipid raft integrity, for example via depletion or overproduction of flotillin, alters raft-associated signal transduction cascades and causes severe diseases like Alzheimer’s, Parkinson’s disease or cardiovascular disease. It was traditionally assumed that a sophisticated compartmentalization of cellular processes like the one exhibited in lipid rafts was exclusive to eukaryotic cells and therefore, lipid rafts have been considered as a hallmark in the evolution of cellular complexity, suggesting that prokaryotic cells were too simple organisms to organize such sophisticated membrane platforms. However, it was recently discovered that bacteria are also able to organize Functional Membrane Microdomains (FMMs) in their cellular membrane that are able to organize and catalyze the functionality of many diverse cellular processes. These FMMs of bacterial membranes contain flotillin-like proteins which play important roles in the organization of FMM-associated cellular processes. In this dissertation I describe the structural and biological significance of the existence of two distinct flotillin proteins, FloA and FloT, in the FMMs of the bacterial model Bacillus subtilis. Localization studies, proteomic data and transcriptomic analyses show that FloA and FloT are individual scaffold proteins that activate different regulatory programs during bacterial growth. Using the tractable bacterial model system, I show that the functionality of important regulatory proteins, like the protease FtsH or the signaling kinases KinC, PhoR and ResE, is linked to the activity of FMMs and that this is a direct consequence of the scaffold activity of the bacterial flotillins. FloA and FloT distribute heterogeneously along the FMMs of B. subtilis thereby generating a heterogeneous population of FMMs that compartmentalize different signal transduction cascades. Interestingly, diversification of FMMs does not occur randomly, but rather in a controlled spatio-temporal program to ensure the activation of given signaling networks at the right place and time during cell growth. / Eukaryotische Zellen werden als evolutionär komplexe Organismen betrachtet, weil sie Organellen besitzen, mit denen sie die raum-zeitliche Organisation von zellulären Prozessen steuern können. Die räumliche und zeitliche Organisation von Signalwegen in eukaryotischen Zellen erfolgt durch die Abgrenzung von membran-assoziierten Mikrodomänen oder Lipid Rafts. Lipid Rafts sind wenige Nanometer große Felder in der Plasmamembran, die aus einem spezifischen Set von Lipiden und Proteinen zusammengesetzt sind und eine Reihe von für die Signaltransduktion und den Proteintransfer erforderlichen Proteine enthalten. Die Integrität der Lipid Rafts ist wichtig um zahlreiche Signalwege und damit assoziierte Prozesse zu verbinden und funktional zu koordinieren. Diese Integrität wird zum Teil von einem Chaperon-Protein namens Flotillin vermittelt. Eine Beeinträchtigung der Integrität der Lipid Rafts, z.B. aufgrund eines Mangels an Flotillin oder einer Überproduktion von Flotillin, verändert Raft-assoziierte Signalwege und verursacht schwere Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson oder kardiovaskuläre Erkrankungen. Bislang wurde angenommen, dass eine so anspruchsvolle Kompartimentierung zellulärer Prozesse wie im Falle der Lipid Rafts ausschließlich in eukaryotischen Zellen vorkommt. Lipid Rafts galten daher als Meilenstein in der Evolution der zellulären Komplexität und prokaryotische Zellen als zu einfache Organismen, um solch komplexe Plattformen in der Membran einzurichten. Vor kurzem wurde jedoch herausgefunden, dass Bakterien ebenfalls in der Lage sind, Funktionale Mikrodomänen in der Membran (FMMs) zu formen, die viele verschiedene zelluläre Prozesse organisieren und katalysieren können. Diese FMMs in bakteriellen Membranen enthalten Flotillin-ähnliche Proteine, die wichtige Aufgaben bei der Organisation von FMM-assoziierten Prozessen übernehmen. In dieser Dissertation beschreibe ich die strukturelle und biologische Signifikanz des Vorkommens der beiden verschiedenen Flotillin-Proteine FloA und FloT in den FMMs des bakteriellen Modellorganismus Bacillus subtilis. Lokalisationsstudien, proteomische Daten und transkriptomische Analysen demonstrieren, dass FloA und FloT individuelle Gerüstproteine sind, die während des Bakterienwachstums verschiedene regulatorische Programme aktivieren. Mit Hilfe des zugänglichen bakteriellen Modellorganismus zeige ich, dass die Funktionsweise von wichtigen regulatorischen Proteinen, wie z.B. der Protease FtsH oder der Signalwegskinasen KinC, PhoR und ResE, an die Aktivität der FMMs gebunden ist, und dass dies eine direkte Folge der stützenden Tätigkeit der bakteriellen Flotilline ist. FloA und FloT sind unterschiedlich in den FMMs von B. subtilis verteilt, wodurch sie eine heterogene Population von FMMs erzeugen, die verschiedene Signalwege abgrenzen kann. Interessanterweise erfolgt die Diversifizierung der FMMs nicht zufällig, sondern durch ein räumlich und zeitlich kontrolliertes Programm, um die Aktivierung von bestimmten Signalwegen am richtigen Ort und zur richtigen Zeit während des Zellwachstums sicherzustellen.

München, Techn. Univ., Diss., 2005.