This work reports on the successful formation of supported multicomponent lipid bilayer membranes (sLBMs) from natural occurring lipids as well as synthetic lipids on a set of polymer cushions consisting of alternating maleic acid copolymers. Maleic acid copolymers provide a versatile platform to adjust the physico-chemical behaviour by the choice of the comonomer unit. The formation of sLBMs was triggered by a transient reduction of the electrostatic repulsion between the polymer cushions and the lipid vesicles by lowering the solutions pH to 4. Upon formation the stability of sLBMs was not affected by subsequent variations of the environmental pH to 7.2. Even drastic changes in the environmental pH (between pH 2 and pH 9) did not lead to delamination and proved the stability of the polymer sLBM. The degree of hydrophilicity and swelling of the anionic polymer cushions was found to determine both the kinetics of the membrane formation and the mobility of the lipid bilayer with lipid diffusion coefficients in the range from 0.26 to 2.6 µm2 s-1. An increase in cushion hydrophilicity correlated with a strong increase in the diffusion coefficient of the lipids. This trend was found to correlate with the kinetics of bilayer formation in the process of vesicle spreading. The observations strongly support the important role of the support’s polarity for the fluidity of the sLBM, which is probably related to the presence of a water layer between support and bilayer. The investigated polymer cushions are considered to open new options for the in situ modulation of lipid bilayer membranes characteristics to match the requirements for the successful integration of functional transmembrane proteins (TMPs). As each cushion exhibits different physico-chemical properties, the resulting behaviour of the sLBMs and TMPs could be exactly adjusted to the specific requirements of biological samples. This is exemplarily shown by the integration of the TMP beta amyloid precursor protein cleaving enzyme (BACE). Integrated BACE was observed to be mobile on all polymer cushions. On the contrary, no lateral mobility of BACE was found in solid sLBM. Furthermore, the activity of integrated BACE was analysed by the cleavage of an amyloid precursor protein analogue. Remarkably, the polymer cushions did not only enhance the mobility but were also found to increase the activity of BACE by a factor of 1.5 to 2.5 in comparison to solid sLBM. From the obtained results it is obvious that even small cytoplasmic domains of transmembrane proteins might not be preserved upon the integration in silica sLBM. The observed beneficial effects of the utilised polymer cushions on the mobility and activity of transmembrane proteins motivate further studies to clarify the general applicability of the polymer platform. Altogether, this polymer platform provides valuable options to form sLBM with varying characteristics to reconstitute transmembrane proteins for a wide range of possible future applications in biology. / Die vorliegende Arbeit beschreibt die Bildung von polymer unterstützten Lipiddoppelschichten zur Integration von transmembranen Proteinen. Das Polymerkissensystem besteht aus alternierenden Maleinsäurecopolymeren. Lipiddoppelschichten wurden durch die Steuerung der elektrostatischen Repulsion erzeugt: die Verringerung des pH-Wertes auf 4 wurde eine Erhöhung der adsorbierten Vesikelmenge auf den Polymeroberflächen induziert. Nach der erfolgten Bildung der Lipiddoppelschichten kann der pH-Wert beliebig variiert werden, ohne dass die Stabilität der Lipiddoppelschichten beeinflusst wird. Auch drastische Veränderungen des pH-Milieus (pH 2 - pH 9) führten zu keinen Veränderungen in der Membranintegrität. Der Grad der Hydrophilie und der Quellung der anionischen Polymerschichten beeinflusst sowohl die Bildung der Modellmembranen als auch die Mobilität der integrierten Lipidmoleküle. Dabei reichen die erzielten Lipiddiffusionskoeffizienten von 0.26 bis 2.6 µm2 s-1. Dabei ist die Mobilität direkt von der Hydrophilie des Substrates abhängig. Die beobachteten Ergebnisse zeigen deutlich die entscheidende Rolle der Polarität der verwendeten Substratoberflächen auf die Lipidmobilität, die sehr wahrscheinlich mit der Präsenz einer variablen Wasserschicht zusammenhängt. Die untersuchten Polymerkissen eröffnen neue Möglichkeiten für die insitu Modulierung der Charakteristika von Lipidschichten, um funktionale transmembrane Proteine zu integrieren. Aufgrund der unterschiedlichen physiko-chemischen Eigenschaften kann das Verhalten der Lipidschichten und der transmembranen Proteine nach den spezifischen Anforderungen des Modellsystems angepasst werden. Die funktionale Integration wurde am Beispiel des transmembranen Proteins BACE nachempfunden. Die Mobilität des integrierten BACE wurde auf allen Polymerkissen beobachtet. Im Gegensatz dazu wurde auf harten Substraten keine BACE Mobilität gefunden. Die Aktivität des integrierten BACE wurde durch die enzymatische Spaltung eines APP-Analogons nachgewiesen. Bemerkenswerteweise wurde ein Anstieg der BACE Aktivität auf den Polymerkissen um den Faktor 1,5 bis 2,5 im Vergleich zu den auf harten Substraten integrierten BACE beobachtet. Zusammenfassend, die verwendeten Polymerkissen bieten vielfältige Möglichkeiten Lipidschichten mit variierenden Eigenschaften für die Integration von transmembranen Proteinen zu erzeugen.

Polymeric vesicles or polymersomes are one of the supramolecular entities at the leading edge of synthetic biology. These small compartments have shown to be feasible candidates as nanoreactors, especially for enzymatic reactions. Once cross-linked and equipped with a pH sensitive material, the reaction can be switched off (pH 8) and on (pH 6) in accordance with the increased permeability of the polymersome membranes under acidic conditions. Thus cross-linked and pH sensitive polymersomes provide a basis for pH controlled enzymatic reactions where no integrated transmembrane protein is needed for regulating the uptake and release of educts and products in the polymersome lumen. This pH-tunable working tool was further used to investigate their use in sequential enzymatic reactions (glucose oxidase and myoglobin) where enzymes are loaded in one common polymersome or in two different polymersomes. Crossing membranes and overcoming the space distance between polymersomes were shown successfully, meaning that educts and products can be exchanged between enzyme compartments for successful enzymatic cascade reactions. Moreover the stabilizing effect of polymersomes is also observable by single enzymatic reactions as well as a sequence. This study is directed to establish robust and controllable polymersome nanoreactors for enzymatic reactions, describing a switch between an off (pH 8) and on (pH 6) state of polymersome membrane permeability with no transmembrane protein needed for transmembrane exchange.

This work reports on the successful formation of supported multicomponent lipid bilayer membranes (sLBMs) from natural occurring lipids as well as synthetic lipids on a set of polymer cushions consisting of alternating maleic acid copolymers. Maleic acid copolymers provide a versatile platform to adjust the physico-chemical behaviour by the choice of the comonomer unit. The formation of sLBMs was triggered by a transient reduction of the electrostatic repulsion between the polymer cushions and the lipid vesicles by lowering the solutions pH to 4. Upon formation the stability of sLBMs was not affected by subsequent variations of the environmental pH to 7.2. Even drastic changes in the environmental pH (between pH 2 and pH 9) did not lead to delamination and proved the stability of the polymer sLBM. The degree of hydrophilicity and swelling of the anionic polymer cushions was found to determine both the kinetics of the membrane formation and the mobility of the lipid bilayer with lipid diffusion coefficients in the range from 0.26 to 2.6 µm2 s-1. An increase in cushion hydrophilicity correlated with a strong increase in the diffusion coefficient of the lipids. This trend was found to correlate with the kinetics of bilayer formation in the process of vesicle spreading. The observations strongly support the important role of the support’s polarity for the fluidity of the sLBM, which is probably related to the presence of a water layer between support and bilayer. The investigated polymer cushions are considered to open new options for the in situ modulation of lipid bilayer membranes characteristics to match the requirements for the successful integration of functional transmembrane proteins (TMPs). As each cushion exhibits different physico-chemical properties, the resulting behaviour of the sLBMs and TMPs could be exactly adjusted to the specific requirements of biological samples. This is exemplarily shown by the integration of the TMP beta amyloid precursor protein cleaving enzyme (BACE). Integrated BACE was observed to be mobile on all polymer cushions. On the contrary, no lateral mobility of BACE was found in solid sLBM. Furthermore, the activity of integrated BACE was analysed by the cleavage of an amyloid precursor protein analogue. Remarkably, the polymer cushions did not only enhance the mobility but were also found to increase the activity of BACE by a factor of 1.5 to 2.5 in comparison to solid sLBM. From the obtained results it is obvious that even small cytoplasmic domains of transmembrane proteins might not be preserved upon the integration in silica sLBM. The observed beneficial effects of the utilised polymer cushions on the mobility and activity of transmembrane proteins motivate further studies to clarify the general applicability of the polymer platform. Altogether, this polymer platform provides valuable options to form sLBM with varying characteristics to reconstitute transmembrane proteins for a wide range of possible future applications in biology. / Die vorliegende Arbeit beschreibt die Bildung von polymer unterstützten Lipiddoppelschichten zur Integration von transmembranen Proteinen. Das Polymerkissensystem besteht aus alternierenden Maleinsäurecopolymeren. Lipiddoppelschichten wurden durch die Steuerung der elektrostatischen Repulsion erzeugt: die Verringerung des pH-Wertes auf 4 wurde eine Erhöhung der adsorbierten Vesikelmenge auf den Polymeroberflächen induziert. Nach der erfolgten Bildung der Lipiddoppelschichten kann der pH-Wert beliebig variiert werden, ohne dass die Stabilität der Lipiddoppelschichten beeinflusst wird. Auch drastische Veränderungen des pH-Milieus (pH 2 - pH 9) führten zu keinen Veränderungen in der Membranintegrität. Der Grad der Hydrophilie und der Quellung der anionischen Polymerschichten beeinflusst sowohl die Bildung der Modellmembranen als auch die Mobilität der integrierten Lipidmoleküle. Dabei reichen die erzielten Lipiddiffusionskoeffizienten von 0.26 bis 2.6 µm2 s-1. Dabei ist die Mobilität direkt von der Hydrophilie des Substrates abhängig. Die beobachteten Ergebnisse zeigen deutlich die entscheidende Rolle der Polarität der verwendeten Substratoberflächen auf die Lipidmobilität, die sehr wahrscheinlich mit der Präsenz einer variablen Wasserschicht zusammenhängt. Die untersuchten Polymerkissen eröffnen neue Möglichkeiten für die insitu Modulierung der Charakteristika von Lipidschichten, um funktionale transmembrane Proteine zu integrieren. Aufgrund der unterschiedlichen physiko-chemischen Eigenschaften kann das Verhalten der Lipidschichten und der transmembranen Proteine nach den spezifischen Anforderungen des Modellsystems angepasst werden. Die funktionale Integration wurde am Beispiel des transmembranen Proteins BACE nachempfunden. Die Mobilität des integrierten BACE wurde auf allen Polymerkissen beobachtet. Im Gegensatz dazu wurde auf harten Substraten keine BACE Mobilität gefunden. Die Aktivität des integrierten BACE wurde durch die enzymatische Spaltung eines APP-Analogons nachgewiesen. Bemerkenswerteweise wurde ein Anstieg der BACE Aktivität auf den Polymerkissen um den Faktor 1,5 bis 2,5 im Vergleich zu den auf harten Substraten integrierten BACE beobachtet. Zusammenfassend, die verwendeten Polymerkissen bieten vielfältige Möglichkeiten Lipidschichten mit variierenden Eigenschaften für die Integration von transmembranen Proteinen zu erzeugen.

Der Eintritt von Influenza A Viren in Wirtszellen erfolgt anhand des Hämagglutinin (HA) Proteins. Neueste Entwicklungen zielen darauf ab, die fusionsinduzierende Konformations-änderung des HA und damit die Freisetzung des viralen Genoms in die Wirtszelle zu inhibieren. Der Fusionsprozess ist pH-abhängig da nur bei einem niedrigen pH-Wert (~5.0-6.0) die Protonierung bestimmter Reste innerhalb des HA eine Konformationsänderung, und somit die Membranfusion, auslöst. Die Identifizierung von konservierten, titrierbaren Resten und die Aufklärung der Strukturveränderungen im HA ermöglichen eine gezielte Entwicklung neuer antiviraler Medikamente. In dieser Arbeit wurden bestimmte Histidine im HA mittels umfassender experimenteller und theoretischer Methoden als potentielle pH-Sensoren untersucht. Dabei konnte das Histidin an Position 184 als wichtiger Schalter der pH-induzierten Konformationsänderung identifiziert werden. Außerdem bewirkte der Austausch des geladenen Rests an Position 216 in der Nähe des His184 eine Veränderung der pH-Abhängigkeit des H5 HA aufgrund der Beeinflussung des pKa-Werts des His184. Da die Mutation R216E im HA des hochpathogenen H5N1 Virus in allen Isolaten während der Vogelvirenseuche im Jahr 2003/04 detektiert wurde, deutet das Ergebnis daraufhin, dass diese Mutation zur Entstehung des hochvirulenten Vogelvirus und dessen Adaptierung an den Menschen beigetragen hat. In diesem Zusammenhang wurde auch der Einfluss der pH-Abhängigkeit des HA auf die Fusion und Infektiosität von Viren in lebenden Zellen getestet. Eine destabilisierende Mutation im HA eines rekombinanten WSN-H3 Virus reduzierte dessen Infektions- und Replikationseffizienz in MDCK-Zellen, was auf den endosomalen pH-Wert dieser Zellen zurückgeführt werden konnte. Die Messung der Virus-Endosom-Fusionskinetik in lebenden Zellen machte außerdem die Bedeutung der pH-Abhängigkeit des HA für den Zeitpunkt der Membranfusion und dessen Einfluss auf die Effizienz der Virusinfektion deutlich. / The entry of influenza A virus into host cells is established by the hemagglutinin (HA) protein. New antiviral strategies aim to inhibit the fusion inducing conformational change of HA and thereby liberation of the viral genome into the cell. This process is strictly pH dependent since the conformational change of HA initiating the fusion of membranes only occurs upon protonation of yet unknown residues within HA at low pH (~5.0-6.0). The identification of conserved titrable residues and better understanding of the sequential structural rearrangements within HA may facilitate the development of new broad-spectrum antivirals. In the present work His184 and His110 were characterized as potential pH sensors by a comprehensive mutational and computational analysis. The results suggest that His184, but not His110, is an important regulator of HA conformational change at low pH. Furthermore, an exchange of charge at position 216 in vicinity to His184 was shown to alter the pH dependence of conformational change and of fusion in correlation to the known pKa dependence of histidines on neighboring residues. The result advocates that the mutation R216E, which emerged in the highly pathogenic H5 HA in 2003-2004, contributed to an altered acid stability of H5 HA via its effect on His184 and thus to the adaptation of avian H5N1 viruses to the human host. Therefore, the role of an altered acid stability of HA for viral fusion and infectivity in living cells was assessed. Recombinant viruses containing a destabilizing mutation in the HA protein were found to have a reduced infectivity and replication efficiency in MDCK cells compared to the respective wild type. Studying virus-endosome fusion kinetics in these cells we could resolve a significant difference in the timing of fusion induction suggesting that the time-point of fusion is a critical determinant of viral infection efficiency which depends on the endosomal acidification as well as on the acid stability of HA.