De nombreux systèmes électrochimiques sont composés d'un grand nombre d'éléments électroactifs en interaction. Si la réaction électrochimique possède une cinétique non linéaire, des comportements coopératifs complexes peuvent émerger suivant la nature et l’intensité des interactions entre les éléments du système. L'objectif de cette thèse est de comprendre l'influence de la taille finie de l’électrode et des interactions entre les microélectrodes sur le comportement coopératif d'un groupe de microélectrodes de platine soumis à un couplage global. Les réactions choisies pour cette étude sont l’électrooxydation du monoxyde de carbone (CO), une réaction avec une cinétique bistable et l’électrooxydation du formaldéhyde (HCHO), qui présente des oscillations de potentiel sous contrôle galvanostatique. Au cours de l’électrooxydation galvanodynamiques du CO sur une seule microélectrode de Pt, la branche S-NDR a pu être mise en évidence contrairement au comportement observé sur une macroélectrode de Pt. En outre, les nouveaux comportements coopératifs comme l'activation séquentielle des microélectrodes, des oscillations de courant et de potentiel spontanées et un régime de commutation dynamique entre les électrodes ont été découverts pour cette réaction lorsque quatre électrodes ont été couplées globalement. Pendant l’électrooxydation de HCHO, l'introduction du couplage global à deux électrodes conduit à des oscillations de courant en opposition de phase. / Many electrochemical systems are composed of a large number of interacting electroactive elements. If the reaction taking place on them has nonlinear kinetics and their interactions allow them to exchange information, complex cooperative behaviors can emerge. The objective of this thesis is to understand the influence of finite-size effects and cooperative phenomena on the global behavior of a group of coupled Pt microelectrodes. The reactions chosen for this study were CO electrooxidation, a reaction with current bistability, and HCHO electrooxidation, which exhibits oscillations under galvanostatic control. During the galvanodynamic electrooxidation of CO on a single microelectrode the S-NDR branch could be evidenced, on macroelectrodes this is not possible due to the formations of stationary domains. Additionally, novel cooperative behaviors (i.e., sequential activation, oscillations and complex switching) were discovered for this reaction when four electrodes were globally coupled. During HCHO electrooxidation the introduction of global coupling to two electrodes led to anti-phase current oscillations.

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

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