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Titel: On the Morphology and Dynamics of Purple Membranes at the Solid-Liquid Junction
Autor: Baumann, Roelf-Peter
Weitere Beteiligte: Hampp, Norbert (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0608
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0608
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-06084
DDC: 540 Chemie
Titel(trans.): On the Morphology and Dynamics of Purple Membranes at the Solid-Liquid Junction

Dokument

Schlagwörter:
Purpurmembran, Bakteriorhodopsin, purple membrane, bacteriorhodopsin

Zusammenfassung:
Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das an der fest-flüssig Grenzfläche adsorbierte und in der Purpurmembran eingebettete Bacteriorhodopsin in Abhängigkeit von der Substratoberfläche zu einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Dynamik neigt. Dieser dynamische Wandel von BR wurde zum ersten Mal beobachtet, zeitaufgelöst untersucht und konnte schließlich für die teils gravierenden morphologischen Veränderungen der an der Oberfläche adsorbierten Purpurmembranen verantwortlich gemacht werden. Diverse extrinsische sowie intrinsische Faktoren, die dieWechselbeziehung aus Dynamik und Morphologie bestimmen, konnten identifiziert werden. Anhand dieser Erkenntnisse konnte ein allgemeines, vom Substrat unabhängiges Stabilitätskriterium abgeleitet werden, welches sowohl für BRWildtyp enthaltende als auch für die diversen Mutanten enthaltende Purpurmembranen Gültigkeit besitzt. Die freie Oberflächenenergie, sowie die Sustratrauheit stellen in diesem Zusammenhang extrinsische Schlüsselparameter dar, welche die Dynamik gar erst erlauben oder diese innerhalb der substratgebundenen Purpurmembranen unterbinden. Eine gezielte Punktmutation (D85T) verwandelt BR nicht nur in eine Chloridpumpe, sondern beeinflußt ebenfalls dramatisch das Kristallisationsverhalten, was wiederum zeigt welchen Einfluß und was für eine Rolle intrinsische Faktoren im Rahmen der beobachtetenWechselbeziehung innehaben. Interessanterweise konnte gezeigt werden, dass eine Stabilisierung der tertiären Struktur von BR-D85T, die intrinsisch durch die Bindung von Chlorid innerhalb der Retinalbindungstasche vermittelt wurde, die Fähigkeit von PM-D85T zur Ausbildung eines zusammenhängenden Kristallgitters wiederherstellt. PM-D85T ermöglichte außerdem die Krümmung von Purpurmembranen in den unterschiedlichen Intermediaten des Photozyklus im thermischen Gleichgewicht an der fest-flüssig Grenzfläche zu untersuchen. Die Seitendifferenzierung via SMFS und EFM zeigte, dass PM-D85T im M2-Photointermediat mit der zytoplasmatischen Seite nach außen gekrümmt ist. Im Gegensatz dazu ist sie, nachdem sie den durch eine flache Topographie gekennzeichneten N-Zustand durchlaufen hat, im finalen O-Photointermediat mit der extrazellulären Seite nach außen gekrümmt. Die unterschiedlichen beobachteten Krümmungsmodi verdeutlichen ein sich in der Natur wiederhohlendes Konzept der Kopplung von Form und Funktion, indem die Konformation von BR mit der Funktion als vektorieller Protonenpumpe zum Transport von Protonen von der zytoplasmatischen zur extrazellulären Seite eng verknüpft ist. Eine genauere Untersuchung der Krümmung ergab, dass kleinere Membranen sehr stark von den extrinsischen Einschränkungen, hervorgerufen durch dieWechselwirkung mit der Substratoberfläche, beeinflußt werden. Größere Membranen hingegen bewahren eine charakteristische Krümmung, die von den physikochemischen Bedingungen und der damit Verknüpften Form von BR abhängen. Dies zeigt, dass einzig und allein die intrinsischen Formänderungen des eingebetteten Proteins für die makroskopisch gekrümmte Natur der Membranen verantwortlich ist. Von einem nanobiotechnologischen Standpunkt aus betrachtet stellen Purpurmembranen einen supramolekularen Aktuator dar, der von sowohl intrinsischen, als auch extrinsischen Einflüssen verändert und in Gang gebracht werden kann. Diese Tatsache eröffnet ein weites Feld für mögliche Anwendungen, z.B. als chemomechanischer Wandler, der pH-Wert bedingt seine Form verändert und auf diese Weise mit seiner direkten Umgebung interagieren kann. Diese Interaktionsmöglichkeit rückt die Purpurmembranen in den Kontext anderer molekularer Maschinen und supramolekularer Schalter. Die beobachteten und tendenziel steuerbaren dynamischen Eigenschaften von BR und PM an der fest-flüssig Grenzfläche kombiniert mit der reversiblen Kontrolle über das PM Kristallisationsverhalten könnten die Erzeugung von großflächigen, künstlichen Membranen ermöglichen. Diese sind von großem Interesse für die optische Datenspeicherung, Anwendungen im Bereich der Photovoltaik oder als Templat für die Darstellung neuartiger Nanobiomaterialien wie Photonischekristalle.

Summary:
In dependence on the substrate bacteriorhodopsin within purple membrane at the solid-liquid junction is prone to dynamical transitions which were observed for the first time and found to be responsible for, in part, large scale morphological changes of the adsorbed purple membrane patches. Extrinsic and intrinsic factors could be identified to govern the interplay of morphology and dynamics, which lead to the deduction of a general, substrate independent stability criterion applicable to purple membranes comprising BR-wild-type and variants alike. Surface free energy and substrate roughness are key extrinsic parameters in this context that enable or slow down dynamical transitions within solid-supported PMs. Conversion of BR into a chloride pump by a single-point mutation seriously affects its crystallization tendency and reveals how intrinsic factors figure into the observed interplay. Interestingly, upon stabilization of the tertiary structure of BR-D85T, intrinsically mediated by chloride binding in the retinal binding pocket, the ability of PM-D85T to form coherent crystalline domains can be restored. PM-D85T also allowed for purple membrane bending of various photocycle intermediates to be studied in thermal equilibrium at the solid-liquid junction. Side discrimination via SMFS and EFM showed that PM-D85T is bent cytoplasmic side out in the M2 photointermediate and passes through a flat topology in the N intermediate in order to bend extracellular side out in the final O photointermediate. The different bending modes observed illustrate a reoccurring motif in nature of how the form of BR follows its function which is that of a vectorial proton pump transfering protons from the cytoplasmic to the extracellular medium. Membrane curvature was further analyzed to reveal that smaller membranes are strongly influenced by extrinsic constraints imposed by the substrate surface. Larger membranes on the contrary retain a characteristic curvature which is dependent on the physicochemical conditions and the corresponding shape of BR, thereby demonstrating that solely the intrinsic shape changes of the embedded proteins are responsible for the macroscopically bent nature of the membranes. From a nanobiotechnology perspective, PM represents a supramolecular actuator set in motion by intrinsic and extrinsic influences, which opens a wide field of possible applications. One example would be as chemomechanical transducer, which upon a pH-shift changes shape and thereby interacts with its environment. These interaction capabilities place purple membrane in the context of other molecular machines and supramolecular switches. The observed and tentatively tunable dynamical transitions and the ability to reversibly control PM crystallinity might allow for the preparation of larger artificial membranes, which might be used for data storage or photovoltaic applications or serve as template in the construction of novel nanobiomaterials such as photonic crystals.


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