Structure analysis of antibiotic peptides in lipid membranes using X-ray reflectivity

Die vorliegende Dissertation behandelt die Strukturuntersuchung von Peptid/Lipid-Modellsystemen mit der Methode der Röntgenreflektivität. Ein Ergebnis dieser Arbeit ist die Ermittlung der Elektronendichteprofile in senkrechter Richtung zur Lipidmembran für eine Reihe von Systemen in Abhängigkeit von der Peptidkonzentration. Das methodisch wichtigste Ziel der Arbeit war die Modellierung der Röntgenreflektivität von orientierten Membranstapeln und die Entwicklung der experimentellen Grundlagen, wie zum Beispiel Probenpräparation und instrumentelle Auslegung der Messplätze an Röntgenröhren und Synchrotronstrahlungsquellen. Die untersuchten Peptide waren die Peptidantibiotika Alamethicin und Magainin 2.Für die Methodik und Auswertung unterschied man dicke Membranstapeln mit mehreren hundert bis zu tausend Lipiddoppelschichten und so genannte Oligo-Stapeln mit 2 bis 20 Lipiddoppelschichten. Bei den Messungen der meisten Proben wurde eine temperierbare Feuchtigkeitskammer verwendet. Damit konnte eine relative Feuchtigkeit bis zu 99.8% erzeugt und die Temperatur zwischen 40-60°C variiert werden. Zur Analyse der Messdaten wurde eine Modellierung der Reflektivität an Lipidmembranen auf Basis der semi-kinematischen Theorie weiter entwickelt. Die Einflussfaktoren, wie z.B. Absorption oder statische Defekte, wurden bei der Modellierung berücksichtigt.Die Auswertung erfolgte vergleichend durch die klassische Methode der Fouriersynthese und durch Anpassung mit einer Modellfunktion. Die Arbeit beschreibt, inwieweit die Qualität der Proben von organischen Lösungsmitteln beeinflusst wird und welche Rolle die Lipidfilmdicke bei der Rekonstruktion des Elektronendichteprofils spielt. Die Frage, ob die Anwendung der klassischen Methode der vereinfachten Auswertung der Streukurven von Lipidmembranen (Fouriersynthese auf Basis der Bragg-Intensitäten) zu rechtfertigen ist, wird anhand des Vergleichs mit der besser begründeten semi-kinematischen Reflektivitätstheorie diskutiert.This thesis concerns structure investigation of Peptid/Lipid model systems by X-ray reflectivity. As a result of this work the electron density profiles in direction perpendicular to the lipid membrane are determined. The methodically most important goal of this work was the modelling of the X-ray reflectivity of oriented membrane stacks and the development of the experimental basis, for example, sample preparation and instrumental construction of the measure station at X-ray tubes and synchrotron radiation. The peptide antibiotics Alamethicin and Magainin 2 were investigated.For methodology and evaluation two classes were considered: Thick membrane stacks with lipid bilayers in the range from several hundreds to thousand bilayers and so called oligo-stacks with 2 up to 20 bilayers. For the measurements of most samples a temperature-controlled humidity chamber was used. Thus, a relative humidity up to 99.8% could be achieved and the temperature between 40-60°C could be varied. In order to analyze the measuring data, a modelling of the reflectivity at lipid membranes based on the semi- kinematic theory was developed. The factors of influence on the reflectivity, e.g. absorption, static defects, were considered for modelling.For the evaluation a comparative approach was chosen by using the classical method of Fourier Synthesis as well as the fitting with a model function. The thesis describes how organic solvents affect the quality of the samples and how the thickness of lipid film influences the reconstruction of the electron density profile. The question, how far the application of the classical method [of the simplified evaluation of the scattering curve of lipid membranes ] (Fourier Synthesis on the basis of Bragg intensities) can be justified, is discussed on the basis of the better justified semi-kinematic reflectivity theory