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This paper reports a simple self-assembly strategy towards bowl-shaped carbon-containing hollow particles, as well as an unprecedented potential application for block copolymer vesicles in energy storage. Kippah vesicles (fully collapsed vesicles), formed by solution self-assembly of an amphiphilic polystyrene-block-poly(ethylene oxide) block copolymer, were employed as the template to guide the formation of bowl-shaped nitrogen-doped carbon hollow particles (BNCHPs). As electrode materials of supercapacitors, BNCHPs exhibit superior electrochemical performance. In particular, compared with their spherical counterpart, BNCHPs largely increase their volumetric packing density, leading to much higher volumetric capacitance or volume reduction of electrodes, which is desired for practical supercapacitor devices.

In dieser Arbeit untersuchen wir den Polymorphismus von Biomembranen im Nanometerbereich anhand von Computermodellen. In Kapitel drei werden auf Dissipative Particle Dynamis basierende molekulare Simulationen genutzt, um die Wechselwirkungen zwischen Membranen und Nanotropfen mit hohen Oberflächenspannungen in der Größenordnung von Milli Newton pro Meter zu untersuchen. Wir zeigen, dass Nanotropfen eine negative Linienspannung an der dreiphasigen Kontaktlinie mit der Membran aufweisen. Die negative Linienspannung führt zu einem spontanen Symmetriebruch des Membran-Tropfensystems und zur Bildung eines enggeschlossenen länglichen Membranhalses. In Kapitel vier untersuchen wir Nanotropfen mit niedrigen Grenzflächenspannungen in der Größenordnung von Mikro-Newton pro Meter. Eine Energieminimierung ermöglicht uns, eine Vielzahl von Parametern zu variieren und die Abhängigkeit der Membranbenet-zungsphänomene von der Grenzflächenspannung, der Biegesteifigkeit, der Linienspannung und der spontanen Krümmung systematisch zu bestimmen. Wir beobachten eine neue morphologische Transformation, die sowohl die Vesikel als auch das Tröpfchen betrifft und eine weiter Geometrie mit gebrochener Rotationssymmetrie. Schließlich bestimmen wir die Grenze zwischen symmetrischen und asymmetrischen Kontaktlinien innerhalb des dreidimensionalen Parameterraums bei verschwindender spontanen Krümmung. In Kapitel fünf verwenden wir molekulare Simulationen, um die morphologischen Transformationen einzelner Nanovesikel mit unterschiedlichem Grad an Asymmetrie zwischen den beiden Schichten der Doppelmembranen zu beobachten. Wir beginnen mit kugelförmigen Vesikeln, die ein bestimmtes Wasservolumen einschließen und aus einer bestimmten Gesamtzahl von Lipiden bestehen. Wenn ihr Volumen verringert wird, verwandeln sich die kugelförmigen Vesikel in eine Vielzahl von nicht kugelförmigen Formen. Dieser Polymorphismus kann durch Umverteilung weniger Lipide zwischen der inneren und äußeren Schicht der Membranen kontrolliert werden. / In this thesis, we use computational methods to study polymorphism of biomembranes at the nanoscales. In chapter three, we use molecular simulations based on dissipative particle dynamics to investigate the interaction of membranes with nanodroplets at high interfacial tensions of the order of milli Newton per meter. We find that nanodroplets have negative line tension at the three phase contact line on the membrane. The negative line tension leads to spontaneous symmetry breaking of the membrane-droplet system and formation of a tight-lipped membrane neck. In chapter four, we study nanodroplets with low interfacial tensions of the order of micro Newton per meter. We use energy minimization, which allows us to explore a wide range of parameters and to systemati-cally determine the dependence of membrane wetting phenomena on interfacial tension, bending rigidity, line tension, and spontaneous curvature. We observe a new morphological transformation that involves both vesicles and droplets, leads to another regime with broken rotational symmetry. Finally, we determine the boundary between symmetric and asymmetric contact line geometries within the three-dimensional parameter space in vanishing spontaneous curvature. In chapter five, we use molecular simulations to monitor the morphological transformations of individual nanovesicles with different degrees of asymmetry between the two leaflets of the bilayer membranes. We start with the assembly of spherical vesicles that enclose a certain volume of water and contain a certain total number of lipids. When we reduce their volume, the spherical vesicles transform into a multitude of nonspherical shapes such as oblates and stomatocytes as well as prolates and dumbbells. This polymorphism can be controlled by redistributing a small fraction of lipids between the inner and outer leaflets of the bilayer membranes. As a consequence, the inner and the outer leaflets experience different mechanical tensions.

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.

The major sorting station of biosynthetic material destined for the cell surface or secretion is the trans Golgi Network, TGN. This organelle sorts proteins and lipids into vesicular transport carriers that are targeted via different pathways to distinct membrane compartments of the cell. The molecular principles that operate in cargo sorting at the TGN are still not very well understood. Especially, we know very little about the sorting of lipids. It was postulated that a sorting mechanism based on clustering of lipid rafts, dynamic membrane domains enriched in sphingolipids and sterols, could be an important part of the picture. My thesis study dealt with the elucidation of the molecular sorting principles at the TGN and their exploitation for cell surface polarity in the yeast Saccharomyces cerevisiae. To this end, we conducted a genome wide screen that identified yeast mutants defective in cell surface delivery of the model cargo protein FusMid-GFP. The most striking result of this screen was that mutant strains with defects in ergosterol (the major yeast sterol) and sphingolipid biosynthesis lost sorting competence. To elucidate a direct role for sphingolipids and ergosterol in cargo sorting and secretion we sought to characterize the lipid composition of secretory vesicles. Hence, we established a vesicle purification protocol based on an immunoisolation strategy. Additionally, in collaboration with the group of A. Shevchenko, we developed a mass spectrometry methodology that allows the comprehensive and quantitative lipid analysis of subcellular organelles. Preliminary results corroborate our genetic evidence. The data show that the vesicles are enriched in sphingolipids and decreased in phosphatidylcholine indicating a role for raft clustering in cargo sorting at the TGN. The studies of cell polarity during yeast mating also unraveled a role for raft clustering. We could identify that the lipid bilayer at the tip of the mating projection was more ordered than at the plasma membrane enclosing the cell body and that this was dependent on sphingolipid synthesis. The results of my thesis suggest that in the yeast Saccharomyces cerevisiae fundamental cell biological processes such as cargo sorting and vesicle formation at the TGN as well as cell surface polarity during mating employ raft clustering mechanisms.

Untersuchungen zur Rolle des oberen Gastrointestinaltraktes in der Verwertung von Milcholigosacchariden: Verdauung und Transport. In Bezug auf den Gehalt (5-8 g/l) und des komplexen Musters an auf Lactose basierenden Oligosacchariden ist die humane Milch einzigartig unter den Säugetieren. Bisher ist nur sehr wenig über die Funktion von Frauenmilcholigosacchariden (FMO) bekannt. In dieser Arbeit wurde die Verdaubarkeit von FMO durch Glycosidasen des oberen Gastrointestinaltraktes und eines magenähnlichen pH-Wertes sowie deren Transport untersucht. Während einer 2 h Inkubation von FMO mit humaner Speichelamylase sowie Pankreasamylase des Schweins wurden die Oligosaccharide nicht angegriffen. Auch konnten keine Auswirkungen eines pH von 2,5 auf die Struktur neutraler FMO nachgewiesen werden. Im Gegensatz hierzu führte dieser bei sauren, d.h. sialylierten Komponenten, zu einer minimalen Abspaltung von Sialinsäure. Da isolierte Disaccharidasen aus dem humanen Dünndarm nicht verfügbar waren, wurden Bürstensaummembran-Vesikel (BBMV) aus dem des Schweines verwendet. Während einer 24 h Inkubation von FMO mit BBMV wurden minimale Mengen an nicht fucosylierten und/oder sialylierten Oligosacchariden angegriffen. Hierbei wurden Glucose, Lacto-N-Triose und Lactose freigesetzt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurden Transportstudien an Caco-2-Zellen durchgeführt. Dabei zeigte sich, daß nur für neutrale FMO ein gerichteter Flux über das Monolayer vorlag, nicht aber für saure Komponenten. Dieser gerichtete Flux ging bei 15 °C verloren, was auf einen endocytotischen Transport der neutralen Oligosaccharide hindeutet. Der Flux über das Monolayer betrug ca. 2% der apikal angebotenen FMO. Mittels HPLC-MS, unter Verwendung einer Hypercarbsäule, analysierte intrazelluläre Fraktionen zeigten eine gerichtete Aufnahme von neutralen FMO, wohingegen keine sialylierten Oligosaccharide nachweisbar waren. Nach Gabe von Brefeldin A, einem Inhibitor des endocytotischen Transportes, kam es zu einer Anreicherung des intrazellulären Gehaltes an neutralen FMO sowie einer Abnahme des transepithelialen Fluxes, so daß für diese Komponenten ein endocytotischer Transport postuliert werden kann. Die Aufnahme in die Zelle unterlag für Lacto-N-Tetraose einer Sättigung mit einem Km von 1,4 mmol/l und Vmax von 18,5 nm

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Die Aufklärung der Prozesse, die zur Zusammensetzung des Influenza A Virus führen, ist Bestandteil für die Bekämpfung dieser Infektionskrankheit. Der Viruspartikel setzt sich aus einer Hülle, der darunter liegenden Matrix und dem Genom zusammen. Das Genom ist als Bündel aus acht Ribunucleoproteinkomplexen organisiert. Die Hülle besteht aus einer Membran, die mit Sphingomyelin und Cholesterol angereichert ist und den darin eingebetteten Membranproteinen Hämagglutinin, Neuraminidase und dem Protonenkanal M2. Die unter der Hülle liegende Matrix wird von einem einzigen Influenzaprotein formiert: Dem Matrixprotein M1. Es spielt eine Schlüsselrolle im Replikationszyklus des Virus in der Zelle. Es interagiert mit dem genetischen Material, mit den Membranproteinen und der Lipidmembran der Hülle. Die vorliegende Arbeit gibt Auskunft, welche Lipide eine Rolle in der M1-MembranWechselwirkung spielen. Die Liste der identifizierten Lipide umfasst neben dem bereits bekannten Phosphatidylserin auch Phosphatidylglycerol und Phosphatidsäure. Verschiedene Phosphatidylinositole konnten ebenfalls identifiziert werden. Als stärkster M1 Bindungspartner trat dabei Phosphatidylinositol-4-Phosphat zutage. Weitere auf Mutanten basierende Untersuchungen zeigten, dass der membranbindende Bereich nicht auf eine einzelne Domäne in M1 festgelegt werden kann. Die N-terminale M1-Domäne mit ihrem Oberflächen-exponierten, positiv geladenen Areal und die C-terminale Domäne interagierten mit Modellmembranen. Das Resultat dieser Interaktionen konnte mittels mikroskopischer Untersuchungen an gigantischen unilamellaren Vesikeln dokumentiert werden. Für M1 und für eine Mutante, die nur aus der N-terminalen M1-Domäne besteht, konnte eine von anderen viralen Proteinen unabhängige homooligomere Organisation auf der Membran gezeigt werden. Diese M1-Cluster könnten während der Zusammensetzung des Viruspartikels als Fundament für die Eingliederung aller weiteren viralen Komponenten dienen. / about the assembly process of the influenza A virus particle is essential for the development of effective approaches for prevention and treatment of this virus infection. The virus particle consists of an envelope, an underlying matrix, and the encapsulated genome. The genetic material is organized as bundle of eight ribonucleoprotein complexes that encode for eleven proteins. The envelope consists of a lipid bilayer that is enriched in sphingomyelin and cholesterol. The viral spike proteins, hemagglutinin and neuraminidase, as well as the proton channel M2 are embedded into this membrane. The matrix can be found below the envelope. It is formed by one single protein, the matrix protein M1. M1 plays a crucial role during the replication of the virus in the cell. It interacts with the genetic material, with the envelope proteins and with the lipid bilayer of the envelope. The results of this study reveal in detail which lipids are targeted by M1. The set of identified lipids contains phosphatylglycerol and phosphatidic acids as new binding partners, beside the known phophatidylserine. Additionally, several phosphatidylinositols were identified. Phosphatidylinositol-4-phosphate was the strongest binding partner from this group. Mutant-based analysis revealed that M1 owns more than one membrane binding site. The positively charged area in the N-terminal and the C-terminal domain mediated membrane association of the respective mutant protein. The final constitution of M1 on the membrane was characterized by confocal fluorescence microscopy on giant unilamellar vesicles. Full length M1 and a mutant that consisted only of the N-terminal part of M1 showed lateral clustering of homooligomers on the vesicle surface. The clusters formed independently of any other viral component. A function as fundament for the incorporation of the other viral components can be assumed for these clusters.

Die vorliegende Arbeit beschreibt das Verhalten von Polypeptid-Blockcopolymeren in der festen Phase und in selektiven Lösungsmitteln. Blockcopolymere auf Basis von Poly(L-glutaminsäure-5-benzylester) (PBLGlu) oder Poly(Nε-benzoyloxycarbonyl-L-lysin) (PZLLys), die in dieser Arbeit eingesetzt wurden, besitzen wegen ihrer helikalen Sekundärstruktur eine sog. Stäbchen-Knäuel-Geometrie, wobei die Knäuelkomponente Polystyrol oder Polybutadien ist. Die Phasenbildung dieser Blockcopolymere ist durch die Packungseigenschaften des rigiden Blocks beeinflusst. Es wurden bevorzugt lamellare Strukturen gebildet, in denen die Stäbchen parallel angeordnet sind. Das Vorhandensein eines permanenten Dipolmomentes führt zur Wechselwirkung zwischen den Helices und zur Erhöhung des Ordnungsgrades in der Phase. Ein zusätzlicher Parameter, der die Morphologie der Phase beeinflußt, ist die Chiralität der Peptidhelix, durch die chirale Überstrukturen induziert werden. In dünnen Filmen (40 nm), wo die Geometrie begrenzt ist, führt es zu Frustrationen in der Phase. Die dadurch entstandene Spannung wurde durch einen zick-zack-artigen Lamellenverlauf abgebaut. In selektiven Lösungsmitteln für die synthetische Komponente (PS) bilden die Polypeptid-Blockcopolymere vesikuläre Strukturen, deren kugel- oder wurmförmige Geometrie von der Elastizität der Membran abhängig ist. Durch Entfernung der Z-Schutzgruppe kann PZLLys in eine wasserlösliche Form überführt werden, so dass die PB-PLLys Blockcopolymere unter Bildung von Vesikeln in Wasser löslich sind. Dabei ist die Konformation des Peptids vom pH-Wert des Mediums abhängig und kann von einem Knäuel zu einer Helix reversibel geschaltet werden. Beim Modifizieren der Sekundärstruktur wurde eine Änderung der Aggregationszahl beobachtet. Somit können diese Blockcopolymere für die Herstellung von schaltbaren Aggregaten eingesetzt werden. / The presented work describes the behaviour of polypeptide-blockcopolymers in the solid-state and well as in selective solvents. Blockcopolymers consisting of PBLGlu or PZLLys / which have been utilized in this work, possess, because of their helical structure, a so-called Rod-Coil Geometry, where the coil component consists of polystyrene or polybutadiene. The phase morphology of these block copolymers is dominated by the packing properties of the rigid blocks. Most commonly, lamellar structures were formed, where the rods were ordered in a parallel fashion. The presence of a permanent dipole moment leads to an interaction between the helices and to an increase in the degree of order within the phase. An additional parameter that influences the phase morphology is the chirality of the peptide helix, which induces the formation of chiral superstructures. In thin films (40 nm), where the geometry is limited, a disordering within the phase is observed. The resulting tension leads to the formation of a zig-zag lamellar pattern. In selective solvents of the synthetic component (PS) of the blockcopolymer, formation of vesicular structures are observed, with spherical or worm-like geometry, depending on the elasticity of the membrane. Through removal of the z-protective groups, PZLLys becomes soluble in water, through the formation of PB-PLLys blockcopolymer vesicles. The conformation of the peptide is dependent on the pH value of the medium and can be reversibly changed from a coil to a helix structure. Through modification of the secondary structure, a change in the aggregation number is observed. Thereby, these blockcopolymers may find application in the fabrication of switchable aggregates.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Ionenbindung an Polymeren und Lipidmembranen in wässrigen Lösungen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener anorganischer Salze und Polyelektrolyte auf die Struktur des Wassers mit Hilfe Isothermer Mikrotitrationskalorimetrie (ITC) erforscht. Die Verdünnungswärme der Salze wurde als Maß für die Fähigkeit der Ionen, die geordnete Struktur des Wassers zu stabilisieren oder zu zerstören, verwendet. Die Verdünnungswärmen konnten auf Hofmeister Effekte zurückgeführt werden. Im Anschluss daran wurde die Bindung von Ca2+ an Natrium- Poly(acrylsäure) (NaPAA) untersucht. Mit Hilfe von ITC und einer Ca2+- selektiven Elektrode wurde die Reaktionsenthalpie und Bindungsisotherme gemessen. Es wurde gezeigt, dass die Binding von Ca2+ - Ionen an NaPAA stark endotherm und daher entropiegetrieben ist. Anschließend wurde die Bindung von Ca2+ an die eindimensionale Polymerkette mit der an ein Lipidvesikel mit denselben funktioniellen Gruppen verglichen. Es wurde beobachtet, dass die Ionenbindung –wie auch im Fall des Polymers- endotherm ist. Ein Vergleich der Ca2+- Bindung an die Lipidmembran mit der an das Polymer konnte zeigen, dass das Ion schwächer an die Membran bindet. Im Zusammenhang mit diesen Experimenten wurde auch beobachtet, dass Ca2+ nicht nur an geladene, sondern auch an zwitterionische Lipidvesikel bindet. Schließlich wurde die Wechselwirkung zweier Salze, KCl and NaCl, mit einem neutralen Polymergel, PNIPAAM, und dem geladenen Polymer PAA untersucht. Mit Hilfe von Kalorimetrie und einer kaliumselektiven Elektrode wurde beobachtet, dass die Ionen mit beiden Polymeren wechselwirken, unabhängig davon, ob diese Ladungen tragen, oder nicht. / The goal of this work was to study the binding of ions to polymers and lipid bilayer membranes in aqueous solutions. In the first part of this work, the influence of various inorganic salts and polyelectrolytes on the structure of water was studied using Isothermal Titration Calorimetry (ITC). The heat of dilution of the salts was used as a scale of water structure making and breaking of the ions. The heats of dilution could be attributed to the Hofmeister Series. Following this, the binding of Ca2+ to poly(sodium acrylate) (NaPAA) was studied. ITC and a Ca2+ Ion Selective Electrode were used to measure the reaction enthalpy and binding isotherm. Binding of Ca2+ ions to PAA, was found to be highly endothermic and therefore solely driven by entropy. We then compared the binding of ions to the one-dimensional PAA polymer chain to the binding to lipid vesicles with the same functional groups. As for the polymer, Ca2+ binding was found to be endothermic. Binding of calcium to the lipid bilayer was found to be weaker than to the polymer. In the context of these experiments, it was shown that Ca2+ not only binds to charged but also to zwitterionic lipid vesicles. Finally, we studied the interaction of two salts, KCl and NaCl, to a neutral polymer gel, PNIPAAM, and to the ionic polymer PAA. Combining calorimetry and a potassium selective electrode we observed that the ions interact with both polymers, whether containing charges or not.