Purple membranes from Halobacterium salinarum as building blocks for nanobiotechnology: The importance of mechanical and thermal properties for matrix and surface applications

Die licht-getriebene Protonenpumpe Bakteriorhodopsin (BR) aus dem halophilen Organismus Halobacterium salinarum ist das Schlüsselprotein der halobakteriellen Photosynthese. In seiner nativen Lipidumgebung ist BR in den so genannte Purpurmembranen (PM) zu finden, die zu 75 % aus BR und 25 % aus Lipiden bestehen und zu der seltenen Klasse natürlich vorkommender Membranprotein-2-D-Kristalle gehören. In der PM besitzt BR eine beeindruckende thermische Stabilität und ist vergleichsweise unempfindlich gegenüber einer Vielzahl von chemischen und physikalischen Einflüssen. Die funktionelle Vielfalt dieses halobakteriellen Retinalproteins macht es zu einem viel versprechenden Material für eine Reihe von technischen Anwendungen. Die meisten technischen Anwendungen von BR und PM erfordern Matrixeinbettung oder Immobilisierung der PM auf einem festen Substrat. Als Matrixmaterial für die Einbettung von Biomolekülen dienen vielfach Zuckermatrizen. Amorphe Zuckergläser sind in der Lage das native wässrige Millieu zu ersetzen und Proteine auch in annähernd wasserfreien Präparationen funktionell aktiv zu halten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden temperaturabhängige Wechselwirkungen zwischen PM und Zuckermatrizen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich unabhängig von der Natur der verwendeten Zucker oberhalb einer Grenztemperatur von T > 60°C eine blaue Membran bildet, die so genannte „Sugar-Induced Blue Membrane“ (SIBM). Für diesen speziellen Thermochromismus wurde ein Modell entwickelt. Aufgrund ihrer hohen Masse zeigen PMs vernachlässigbare Diffusion, so dass ladungsvermittelte Adsorption an Oberflächen ein attraktives Verfahren zur Immobilisierung vom PM ist. Um ortsselektive Adsorption zu erreichen, muss die betreffende Oberfläche geeignet strukturiert werden. In dieser Arbeit wurden Alkanthiol-modifizierte Goldoberflächen untersucht und ein Verfahren zur Strukturierung der „self-assembled monolayers“ (SAMs) entwickelt, das sich bestens für die Herstellung strukturierter Alkanthiol-SAMs im Mikrometer- bis Zentimeterbereich eignet, die so genannte „Submerged Laser Ablation“ (SLAB). Für die nanobiotechnische Anwendung von PM ist es wichtig, die mechanischen Eigenschaften frei-suspendierter PMs zu kennen. Weil sich in jeder PM tausende, durch den kristallinen Verbund stark gekoppelter BR-Moleküle in undirektionaler lateraler Anordnung befinden, führen kollektive Konformationsänderungen der aktiven BR-Moleküle zu einer Änderung der Geometrie der Gesamtmembran. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die funktionelle Krümmung der PM während des Photozyklus zum ersten Mal mit strukturanalytischen Methoden direkt nachgewiesen werden. Als Methode kam hierbei die hochauflösende cryo-Rasterelektronenmikroskopie (cryo-SEM) zum Einsatz, mit der die strukturelle Charakterisierung frei-suspendierter PMs möglich ist. Im Rahmen der Arbeit wurde dem nanobiotechnischen Anwendungsspektrum von PM ein weiterer Aspekt hinzugefügt: Die Purpurmembran als licht- und pH-gesteuerter supramolekularer Schalter.