Einfluss der wässrigen Phase auf inter- und intramembrane Wechselwirkungen

Interaktionen belebter Materie passieren häufig in Gegenwart wässriger Medien. Dazu gehören vor allem die für das Leben so wichtigen Zellmembranen. Diese Medien sind in der Regel Elektrolyte, d.h. sie beinhalten Ionen, welche je nach Typ, Valenz und Konzentration die Wechselwirkungen zwischen Membranen beeinflussen bzw. steuern können. Ionen-spezifische Effekte - bekannt seit den Arbeiten von Franz Hofmeister an der Stabilität von Proteinen in Salzlösungen, Ende des 19 Jahrhunderts - treten generell in unterschiedlichsten Materialien und Umgebungen auf, sind aber noch nicht ausreichend verstanden. In Bezug auf Zellmembranen ist davon auszugehen, dass Ionen nicht nur Membranwechselwirkungen beeinflussen, sondern auch intramembrane Strukturen verändern können; insbesondere die Ausbildung von Domänen mit einer bestimmten Form, Struktur und Elastizität. Ionen könnten daher eine umfassendere Rolle in physiologischen Zellabläufen spielen als bisher angenommen. Im Rahmen des eingereichten Projektes sollen folgende drei Fragen beantwortet werden. (i) Wie beeinflussen Ionen das Schwingungsspektrum von Membranen im Vergleich zu Membranen mit gleichem Abstand aber unter externem (osmotischen) Druck? (ii) Wie verändern Salze die lipidgetriebene laterale Phasenseparation in Membranen, inklusive der physikalischen Eigenschaften der koexistierenden Domänen? (iii) Führen spezifische Wechselwirkungen von Ionen mit Membrandomänen zu einer spezifischen Ladungsverteilung auf der Membranoberfläche? Um diese Ziele zu erreichen, werden die experimentellen Expertisen der Pabst Gruppe (Karl-Franzens-Universität, Graz, Österreich) in Membranbiophysik mit dem theoretischen Knowhow der Podgornik Gruppe (Universität Laibach, Slovenien) in (bio)makromolekularen Wechselwirkungen kombiniert. Wir planen eine umfassende Studie on geladenen oder ladungsneutralen Membranen aus Einzellipidkomponenten oder komplexen Lipidmischungen in verschiedenen Salzlösungen. Dabei werden Salze der Hofmeisterreihe inklusive polyvalenter Ionen zum Einsatz kommen. Basierend auf einer Erweiterung der Poisson-Boltzmann Theorie werden wir eine analytische Beschreibung der ionen-gesteuerten Membranwechselwirkungen erarbeiten, die auch Effekte auf die laterale Membranstruktur beinhaltet. Wir erwarten uns detaillierte Einblicke in die Physik ionen-vermittelter Wechselwirkungen in Zellmembranen. Dieses Wissen ist wichtig für das Verständnis und die mögliche Behandlung von Erkrankungen im Zusammenhang mit Störungen des Fettstoffwechsels.

Im Rahmen des FWF Projektes wurden zusammen mit der Theoriegruppe von Rudolf Podgornik (Universität Ljubljana, Slowenien) detaillierte Untersuchungen von ionenspezifischen Effekten an künstlichen Membranen aus Lipiddoppelschichten durchgeführt. Die wissenschaftliche Motivation der Arbeiten liegt in der allgegenwärtigen Präsenz von Ionen verschiedenster Art, Ladung und Größe in der natürlichen Umgebung lebender Zellen bzw. der sie umgebenden Membranen oder Organell-Membranen. Ionen- spezifische Effekte - bekannt seit den Arbeiten von Franz Hofmeister an der Stabilität von Proteinen in Salzlösungen, Ende des 19 Jahrhunderts - treten generell in unterschiedlichsten Materialien und Umgebungen auf, sind aber noch nicht ausreichend verstanden. Im genannten Projekt wurden vor allem zwei Fragestellungen gezielt bearbeitet. (i) Wie beeinflussen Ionen die Wechselwirkungen zwischen Membranen und wie wirkt sich das auf die Elastizität/Weichheit der Membranen aus und (ii) können Ionen die strukturellen Eigenschaften von Membrandomänen, die einfache Modelle von Signal/ Kommunikationsplattformen natürlicher Membranen (rafts) darstellen, beeinflussen? Zu diesem Zweck wurden die Wechselwirkungen zwischen Membranen mittels Röntgenkleinwinkelstreuung vermessen. Insbesondere wurde ein definierter osmotischer Druck angelegt, wobei aus dem Verlauf der Abstände der Membranen (im Bereich weniger Nanometer) und deren Fluktuationen als Funktion des osmotischen Drucks auf die zugrundeliegenden Kräfte geschlossen werden kann. Hierzu wurde in Zusammenarbeit mit der Gruppe in Slowenien eine neue Theorie entwickelt, die die gemessen Membranabstände und Fluktuationen in Zusammenhang mit der Membranelastizität setzt. Es zeigte sich, dass sogar einfache Salze wie NaCl zu einer signifikanten Erhöhung der Membranflexibilität führen, ohne direkt an die Membran zu binden. Polyvalente Ionen, wie etwa Miniproteine, zeigten ein weit komplexeres Verhalten, deren genauen Auswirkungen gegenwärtig noch analysiert werden. In Bezug auf strukturelle Eigenschaften der Membranen ergaben die durchgeführten Arbeiten, dass Ionen sehr spezifisch mit Membrandomänen interagieren können. Insbesondere bevorzugen sie weichere, weniger dicht gepackte Lipidumgebungen. Dies führt zu einer komplexen Struktur der wässrigen Ladungshülle der Membranen. Die Auswirkungen beider behandelter Aspekte in lebenden Zellen sind mit hoher Wahrscheinlichkeit enorm. Unter anderem eröffnen sie die Möglichkeit Zellkommunikation selektiv über die Änderung/Austausch des elektrolytischen Milieus zu steuern. Dies soll in Folgeprojekten genau untersucht werden.