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Mechanical Properties of Individual Molecules : An Interface between the Structure and the Function of the Molecules

Fisinger, Samo

German Title: Mechanische Eigenschaften individueller Moleküle : eine Schnittstelle zwischen der Funktion und der Struktur der Moleküle

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Abstract

Optical tweezers with a 3D position detection were used to investigate the mechanical properties of individual molecules. The molecular receptor-ligand pair of avidin and biotin was used as a model system to establish our technique. Optical tweezers created the possibility to position the microsphere into close proximity of the surface and to define the local boundary conditions for the interaction. Under these experimental conditions we measured the average binding time of the bead to the surface as a function of the density of biotin on the surface. A diffusion based model was used to estimate the effective size of the molecular binding center from the average reaction time. The size of the molecular binding center as determined by our method is in good agreement with the size of an individual Bovine Serum Albumin molecule. The lateral position fluctuations of the bound bead were also used to determine the type of the contact. It was possible to distinguish between individual and multiple molecular bonds. The same method was applied to the study of mechanical properties of the SNARE-complex. The SNARE-complex consists of three proteins: syntaxin, synaptobrevin and SNAP-25. We measured and analyzed the mechanical properties of the interactions between four combinations between the building blocks of the SNARE-complex. Altogether, four different protein combinations were measured. The molecular binding assay showed qualitative differences between different molecules. In particular, the interaction between two syntaxin molecules and a single SNAP-25 molecule showed a unique pattern: a continuous decrease in lateral position fluctuations was accompanied by a rotation. This spiralling was interpreted in terms of an individual SNARE-complex formation.

Translation of abstract (German)

Die optische Pinzette mit einer 3D Positionsdetektion wurde zur Untersuchung mechanischer Eigenschaftem individueller Molek¨ulle benutzt. Die Molek¨ule Avidin und Biotin wurden als ein Modelsystem zum etablieren unserer Methode hergenommen. Die optische Pinzette erm¨oglicht einerseits eine genaue Positionierung der Beads an der Oberfl¨ache und andererseits eine Definition der lokalen Randbedingungen f¨ur die Reaktion. Unter diesen experimentellen Bedingungen wurde die mitllere zum Binden des Beads an die Oberfl¨ache ben¨otigte Zeit als Funktion der Dichte von Biotin an der Oberfl¨ache gemessen. Ein auf Diffusion basiertes Modell wurde benutzt um aus der gemessenen Reaktionszeit die effektive Gr¨osse der molekularen Bindungszentren abzusch¨atzen. Die auf dieseWeise abgesch¨atzte Gr¨osse der molekularen Zentren stimmt mit der Gr¨osse eines einzelnen Bovine Serum Albumin Molek¨uls ¨uberein. Die lateralen Schwankungen gebundener Beads wurden auch zur Karakterisierung der Bindung zwischen dem Bead und der Oberfl¨ache benutzt. Es war m¨oglich zwischen einzelnen und mehrfachen molekularen Bindungen zu unterscheiden. Die gleiche Methode wurde auch zur Untersuchung mechanischer Eigenschaften des SNARE-Komplexes benutzt. Der SNARE-Komplex besteht aus drei Proteinen: syntaxin, synaptobrevin und SNAP-25. Die mechanischen Eigenschaften der Wechselwirkungen zwischen einzelnen Bauteilen des SNARE-Komplexes wurden gemessen und analysiert. Insgesamt wurden vier Kombinationen der SNARE-Proteine untersucht. Der molekulare Bindungsassay zeigte qualitative Unterschiede zwischen verschiedenen molekularen Wechselwirkungen. Insbesondere wurde bei der Wechselwirkung zwischen zwei syntaxin Molek¨ulen und einem SNAP-25 Molek¨ul ein einzigartiges Muster beobachtet: ein kontinuierliches Abnehmen der lateralen Positionsfluktuationen wurde von einer Rotation begleitet. Diese spiralenf¨ormige Dynamik wurde als Formation eines individuellen SNARE-Komplexes interpretiert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Povh, Prof. Dr. Bogdan
Date of thesis defense: 17. December 2003
Date Deposited: 02. Apr 2004 13:12
Date: 2003
Faculties / Institutes: Service facilities > European Molecular Biology Laboratory (EMBL)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Optische Pinzette, Molekulare Erkennung, Avidin-Biotin-Komplex, SNAP-Rezeptor, Konformationsänderung
Uncontrolled Keywords: Einzelne Moleküle , Biophysik , mechanische Eigenschaftenoptical tweezers , molecular recognition , single molecules , conformational change , avidin-biotin complex
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