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INFLUENCE OF MOLECULAR STRUCTURE ON ORDERING AND DYNAMICS OF LIPIDS AND PROTEINS IN BIOLOGICAL MEMBRANE MODELS

Schubert, Thomas

German Title: Einfluss molekularer Struktur auf die Ordnung und die Dynamik von Proteinen und Lipiden in Modellen biologischer Membranen

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Abstract

In this thesis, the structure and dynamics of model membranes are probed using a combination of experiments and simulations. The lateral diffusion of prion proteins (PrPc) coupled to lipid headgroups in planar lipid membranes (supported membranes) are investigated in Chapter 5 using a self-constructed single-molecule fluorescence microscope. Using random walk simulations, molecular variations of the PrP were detected by their influence on the lateral diffusion. In order to improve understanding of archaea survival under extreme conditions, archaea-mimetic lipids and membranes are investigated in Chapter 6. The structure, ordering, and lateral diffusion of these cyclic transmembrane lipids are investigated by optical and X-ray scattering techniques. In Chapter 7, molecular dynamics (MD) simulations are used to study membranes of conventional phospholipids and unique cyclic lipids on the level of atomic detail, showing excellent agreement with the experimental findings. An optimized representation of the ordered gel phase allows for the first successful simulation of first order melting transitions. Thus, the combination of optical techniques in real space and scattering experiments in reciprocal space with complementary computer simulations is a powerful tool to unravel the ordering and dynamics of biological systems in different length and time scales.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wird die Struktur und die Dynamik von Modellmembranen mit einer Kombination aus Experimenten und Simulationen untersucht. Die laterale Diffusion an Lipide gekoppelter Prionproteine (PrP) in planaren Lipidmembranen (“Festkörper-gestützte Membranen”) wird in Kapitel 5 mit einem selbstkonstruierten Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskop untersucht. Molekulare Variationen der PrP konnten durch ihren Einfluss auf die Diffusionskoeffizienten anhand von Simulationen der thermischen Zufallsbewegung erkannt werden. Zur Erweiterung des Verständnisses vom Überleben von Archaeen unter extremen Bedingung werden in Kapitel 6 Archaea-mimetische Lipide und Membranen untersucht. Die Struktur, Ordnung und laterale Diffusion dieser zyklischen transmembranen Lipide wird durch optische Methoden und Röntgenstreuung untersucht. In Kapitel 7 werden Molekulardynamiksimulationen verwendet um Membranen bestehend sowohl aus konventionellen als auch aus einzigartigen zyklischen Lipiden mit atomarer Genauigkeit zu untersuchen, wobei eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen beobachtet wird. Eine optimierte Darstellung der geordneten Membranen in der Gelphase erlaubt erstmals die erfolgreiche Simulation von Schmelzübergängen erster Ordnung. Es wird ersichtlich, dass die Kombination optischer Techniken im Realraum mit Streumethoden im reziproken Raum und ergänzenden Computersimulationen ein mächtiges Werkzeug zur Entschlüsselung der Ordnung und Dynamik biologischer Systeme auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Tanaka, Prof. Dr. Motomu
Date of thesis defense: 28 October 2009
Date Deposited: 13 Nov 2009 12:33
Date: 2009
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Lipid-Lipid-Wechselwirkung, Molekulardynamik, Biomembran, Membranproteine, Membranlipide, Membran, Röntgenstreuung, Archaebakterien, Einzelmol
Uncontrolled Keywords: lipid-lipid interaction , molecular dynamics , membranes , single molecule microscopy , x-ray scattering
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