Lipopolymer diffusion and electrophoresis in supported lipid bilayer membranes

Lipopolymer-containing phospholipid bilayers are important because of their potential as biological membrane models and biosensing platforms. This thesis presents systematic studies of lipopolymer self-diffusion, gradient diffusion, and electrophoresis in solid-supported lipid bilayers (SLBs). A reaction-diffusion fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) model was developed to improve accuracy in furnishing the self-diffusion coefficient. Fourier transform post-electrophoresis relaxation (PER) was developed to ascertain the gradient diffusion coefficient, which had not been previously measured in two-dimensional membranes. Finally, a photobleaching technique was adopted to measure the electrophoretic mobility. Hindered self-diffusion and enhanced gradient diffusion with increasing lipopolymer concentration in SLBs were observed. The diffusion data at small but finite concentrations were successfully interpreted using existing theories for transmembrane protein diffusion with a soft lipopolymer interaction potential. Lipopolymer electrophoretic mobility qualitatively correlates with lipopolymer concentration in the same manner as the self-diffusion coefficient. However, the drag force during electrophoresis is larger than derived from the self-diffusion coefficient using the Stokes-Einstein relation. This is attributed to the oppositely directed electro-osmotic flow. A continuum model that calculates the hydrodynamic drag on the polymer chains according to a Brinkman model was developed to quantify lipopolymer electrophoresis. This model furnished excellent agreement with experiments, yielding the polymer segment Stokes radius, and a lipid-tail drag coefficient that increases slightly with lipopolymer concentration.Les bicouches de phospholipides contenant des lipopolymères sont importantes en raison de leur potentiel en tant que substituts de membranes biologiques et plate-formes de bio-détection. Cette thèse présente l'étude systématique de l'auto-diffusion, de la diffusion sous gradient et de l'électrophorèse des lipopolymères au travers de bicouches lipidiques soutenues au moyen de supports solides (SLBs). Un model de récupération de fluorescence sous forme de réaction-diffusion après photo-blanchiment (FRAP) a été développé afin d'améliorer la précision des résultats fournissant les coefficients d'autodiffusion. La transformée de Fourier de relaxation post-électrophorèse (PER) a été calculée afin de confirmer la valeur du coefficient de diffusion sous gradient qui n'avait pas encore été mesurée pour le cas de membranes bidimensionnelles. Enfin, une technique de photo-blanchiment a été adoptée en vue de mesurer la mobilité électrophorétique. Les résultats ont montré d'une part qu'une augmentation de la concentration en lipopolymères SLBs avait pour effets contraires de faciliter la diffusion sous gradient mais de contrarier l'auto-diffusion. D'autre part, les données relatives à la diffusion dans le cas de concentrations faibles mais mesurables ont pu être interprétées à l'aide de théories déjà existantes sur la diffusion de protéines transmembranaires ayant un potentiel d'interaction peu élevé avec les lipopolymères. La mobilité électrophorétique des lipopolymères est en corrélation avec leur concentration d'un point de vue qualitatif, de même que l'est le coefficient d'auto-diffusion. Toutefois, la force de traînée expérimentale obtenue pour l'électrophorèse est plus importante que la force théorique calculée par implémentation du coefficient d'auto-diffusion dans la relation de Stokes-Einstein. Cette hausse est attribuée à l'écoulement du flux électro-osmotique en sens inverse. Un modèle en continuum calculant la traînée hydrodynamique sur les chaînes polymériques à partir d'un modèle de Brinkman a été développé afin de quantifier l'électrophorèse des lipopolymères. Ce modèle a fourni des résultats en excellent accord avec les expériences, entre autres concernant le rayon de Stokes de segments polymériques et le coefficient de traînée de la terminaison lipidique qui augmente légèrement avec la concentration en lipopolymères