On the Morphology and Dynamics of Purple Membranes at the Solid-Liquid Junction

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.