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Fine-Structures, Lateral Correlation and Diffusion of Membrane-Associated Proteins on Biological Membrane Surfaces

Abuillan, Wasim

German Title: Feinstrukturen, laterale Korrelation und Diffusion der membranassoziierten Proteine auf biologischen Membranoberflächen

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Abstract

The primary aim of this thesis is to investigate the lateral diffusion, correlation and interactions of proteins and peptides with cell membrane models by the combination of experimental techniques in real and reciprocal space. In Chapter 4, the characteristic distance and range of lateral correlation between non-crystalline proteins anchored to fluid lipid monolayers at high surface densities were determined by grazing incidence small angle X-ray scattering (GISAXS) for the first time. Moreover, the lateral density of membrane-anchored proteins could be quantified from Sulfur Kα emission detected by grazing incidence X-ray fluorescence (GIXF). In Chapter 5, the influence of molecular crowding on the lateral diffusion of membrane-anchored proteins was investigated by fluorescence recovery after photobleaching and single particle tracking microscopy, yielding a clear transition from free diffusion to confined diffusion. In Chapter 6, the interactions between antimicrobial peptides and bacterial membrane models are probed by GIXF that allows for the identification of the spatial localization of ions with Ångstrom accuracy. This enabled one to discriminate different "modes" of membrane-protein interactions, such as adsorption and incorporation on the molecular level. The obtained results demonstrated that the use of real and reciprocal space techniques can provide information about fine-structures, electrostatics, and dynamic correlation at biological interfaces.

Translation of abstract (German)

Das Hauptziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Diffusion, Korrelation und Wechselwirkungen von Proteinen und Peptiden mit zellähnlichen Modellmembranen durch Kombination experimenteller Techniken im realen und reziproken Raum. In Kapitel 4 konnten zum ersten Mal die charakteristische Distanz und Reichweite der lateralen Wechselwirkungen zwischen nicht kristallinen Proteinen, die an fluide Lipidmonolagen in hoher Oberflächendichte gebunden waren, mit Hilfe von Kleinwinkel-Röntgenstreuung (GISAXS) bestimmt werden. Desweiteren konnte die laterale Dichte der membran-gebundenen Proteine anhand der Schwefel Kα Emission, die mit Hilfe der Röntgen-Fluoreszenz Analyse erhalten wurde, quantitativ bestimmt werden. In Kapitel 5 wurde der Einfluss der hohen molekularen Dichte auf die laterale Diffusion der membran-gebundenen Proteine mittels FRAP (Fluorescence Recovery after Photobleaching) und Einzelmolekülspektroskopie untersucht, woraus ein klarer Übergang von freier zu eingeschränkter Diffusion resultierte. In Kapitel 6 wurden die Wechselwirkungen zwischen antimikrobiellen Peptiden und bakteriellen Modellmembranen mittels GIXF erforscht, was die Identifizierung der räumlichen Anordnung der Ionen in der Größenordnung von Ångström ermöglichte. Dadurch konnten verschiedene Zustände der Membran-Protein-Wechselwirkungen wie z.B. Adsorption und Einlagerung in die Membran auf molekularer Ebene voneinander unterschieden werden. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die Kombination optischer Techniken im realen und reziproken Raum Informationen über Feinstrukturen, Elektrostatik und dynamische Korrelation an biologischen Grenzflächen gewonnen werden können.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Tanaka, Prof. Dr. Motomu
Date of thesis defense: 13 November 2013
Date Deposited: 19 Nov 2013 10:20
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
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