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Abstract

The second law of thermodynamics requires life processes to be separated by a boundary from their environment. Therefore, all cells are encapsulated by a lipid membrane. This enables life’s great degree of organization. To allow nutrients and information to pass this barrier, cells use various transmembrane proteins for material and signal transduction. When creating artificial cells, synthetic biology has to account for these facts. This thesis presents the development of such a stable and easy-to-manipulate protocell model for cellular adhesion experiments. First adhesion of small unilamellar vesicles containing reconstituted blood-platelet integrin to functionalized surfaces were studied using quartz crystal microbalance. Due to restrictions of giant unilamellar vesicles (GUV), a novel compartment system, named droplet-stabilized giant unilamellar vesicles (dsGUV), was created combining the versatility of microfluidics, the stability of surfactant-stabilized water-in-oil droplets, with the high level of bio-mimicry of lipid membranes. Through the use of microfluidic pico-injection technology, components can be sequentially added to the compartment, pathing the way for more complex and diverse model systems. In this work, reconstitution of integrin into dsGUVs is presented. The system was characterized using different methods. Finally the recovery of GUVs from dsGUVs to a physiological environment is presented.

Translation of abstract (German)

Aus dem zweiten Gesetz der Thermodynamik folgt, dass jede Zelle durch eine Grenzfläche von ihrer Umwelt abgetrennt sein muss. Deshalb sind alle Zellen von einer Lipidmembran ummantelt. Erst dadurch wird der hohe Grad an Organisation möglich. Damit jedoch Nährstoffe und Informationen diese Barriere passieren können, sind diverse Transmembranproteine nötig. Diese Voraussetzungen muss auch die Synthetische Biologie bei der Erschaffung künstlicher Zellen berücksichtigen. In dieser Doktorarbeit wurde ein simples und leicht beeinflussbares Modellsystem für Zelladhäsion entwickelt. Zunächst wurde die Adhäsion von sogenannten “Small Unilamellar Vesicles”, Proteoliposomen mit Thrombozyten-Integrin, auf eine mit extrazellulären Matrixproteinen funktionalisierte Oberflächen mit einer Quarzkristall-Mikrowaage untersucht. Des Weiteren wurde, wegen der geringen Stabilität von “Giant Unilamellar Vesicles” (GUVs), ein neues Kompartimentsystem entwickelt, das “droplet-stabilized Giant Unilamellar Vesicle” (ds- GUV). Hierfür wurde die Vielseitigkeit und Stabilität von Tröpfchenmikrofluidik mit der Biokompatibilität von Lipidmembranen kombiniert. Durch die Verwendung von mikrofluidischer Pico-Injektionstechnologie ist es möglich Komponenten nacheinander in ein Modellkompartiment einzuführen. Dies öffnet den Weg zu komplexeren und vielfältigeren Modellsystemen. In dieser Arbeit wird als Beispiel die Rekonstitution von Thrombozyten-Integrin in dsGUV gezeigt. Darüber hinaus wird ein Verfahren gezeigt, mit dem GUV aus dsGUV herausgeholt werden können.