Assemblierung der Bizellen in Lipid-Transmembranprotein Doppelschichten: Ein neues experimentelles Verfahren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozentin Dr. Izabella Brand; Professor Dr. Karl-Wilhelm Koch
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510809665

Wichtige biologische Antworten werden über membranassoziierte Signalwege unter Beteiligung von Transmembranproteinen (TMP) vermittelt. Die Zielsetzung des vorliegenden Projekts ist zu verstehen, wie die Zusammensetzung und Orientierungen von Lipid-Doppelschichten die Funktion eines prototypischen TMPs, des G-Protein-gekoppelten Rezeptors Rhodopsin beeinflussen. Rhodopsin ist das vorherrschende Membranprotein in den Disks der Sehstäbchenaußensegmente der Fotorezeptorzellen. Diese Membranen enthalten Lipide mit einem hohen Anteil mehrfach ungesättigter Fettsäuren und verändern ihre Zusammensetzung während des Alterungsprozesses eines Sehstäbchenaußensegmentes. Die biochemischen und biophysikalischen Konsequenzen, die unterschiedliche Lipidzusammensetzungen auf die Konformation und Funktion von Rhodopsin haben, wie diese den Einbau von Rhodopsin in Membranen beeinflussen und welche gegenseitigen Wechselwirkungen von Lipiden und Rhodopsinvarianten bestehen, ist größtenteils nicht bekannt. Weiterhin sind die elektrochemischen Eigenschaften von Lipidmembranen, die einen so hohen Gehalt an Lipiden mit mehrfach ungesättigten Fettsäureketten enthalten, unbekannt.Der experimentelle Ansatz dieses Projekts sieht vor, dass Rhodopsin und ausgewählte Mutanten von Rhodopsin in trägergestützte Lipid-Bilayer eingebaut werden. Wir werden hierfür Bicellen anfertigen, die 1,2,-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholin (DMPC), 1,2-dihexanoyl-sn-glycero-3-phosphocholin (DHPC) und andere Lipide in unterschiedlichen Verhältnissen enthalten. Diese Lipid-Model-Membranen werden einheitlich orientierte Rhodopsinmoleküle auf einer festen Trägeroberfläche enthalten und repräsentieren ein biomimetisches Arbeitsmodel. Um eine hydrophile Umgebung auf beiden Seiten der Membran zu gewährleisten und einen direkten Kontakt der Lipid- und Proteinmoleküle mit der Goldoberfläche zu verhindern, werden schwimmende Lipidmembranen auf der gemischten Thioglucose:6-Mercaptohexansäure-Monoschicht hergestellt. Die Lipidzusammensetzung der Bicellen entspricht der physiologischen Zusammensetzung von Disk-Membranen der Sehstäbchenaußensegmente. Elektrochemische, Oberflächenplasmonenresonanz-, In-situ-Polarisationsmodulations-Infrarotreflexions-Absorptionsspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie-Experimente werden durchgeführt, um das biomimetische Konzept der Modellmembranherstellung experimentell zu überprüfen. Der Einsatz der state-of-the-art Analysemethoden wird Informationen über die makroskopischen Eigenschaften der Membran (Kapazität, Elektroporation), die Kinetik der Ausbreitung der Bicellen auf Oberflächen, und über die Zusammensetzung, Struktur und Orientierung der Lipid- und Rhodopsinmoleküle in Modellmembranen liefern

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen