Biomimetic bilayer membranes made from polymers and lipids

Amphiphile Blockcopolymere sind in der Lage in Wasser Morphologien auszubilden, die analog sind zur hydrophil-hydrophob-hydrophil-Struktur von natürlichen Lipiddoppelschichten. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal die Präparation und Charakterisierung von oberflächengestützten Polymerdoppelschichten aus Polybutadien-b-Polyethylenoxid (PB-PEO) beschrieben. Für die Herstellung dieser Strukturen wurden zwei unterschiedliche Präparationsstrategien verfolgt. Der erste Weg besteht aus einer zweistufigen Methode, bei der im ersten Schritt organisierte Monoschichten mittels Langmuir-Blodgett-Transfer auf Gold übertragen und kovalent angebunden werden. Im zweiten Schritt werden hydrophobe Wechselwirkungen ausgenutzt, um über Langmuir-Schaefer-Transfer eine weitere Schicht aufzubringen. Somit wurden homogene Architekturen erzeugt, die oberflächengestützten Lipiddoppelschichten gleichen. Als alternativer, einstufiger Ansatz zur Herstellung von Polymerdoppelschichten wurde das Spreiten von Polymervesikeln auf Gold verfolgt. Auch hierdurch ließen sich Doppelschichtstrukturen mit einer vollständigen Oberflächenbedeckung erzeugen. Die hergestellten Polymerdoppelschichten besitzen eine Dicke von 11-14 nm, die von der Präparationsmethode abhängt. Die Polymerstrukturen weisen bei Trocknung für 1.5 h eine Stabilität gegenüber Luft auf. Bei längeren Trocknungszeiten von ca. 12 h kommt es zu einer Reorganisation der Oberfläche. Dies deutet darauf hin, dass Wasser dazu notwendig ist die Strukturen auf lange Sicht zu stabilisieren. Um die Biokompatibilität der Polymerschichten nachzuweisen, wurden die Wechselwirkungen mit dem membranaktiven Peptid Polymyxin B und dem Transmembranprotein α-Haemolysin gezeigt. Mobilität ist ein wichtiger Faktor für die korrekte Funktion vieler Transmembranproteine. Um die laterale Diffusionsdynamik innerhalb der künstlichen Strukturen zu untersuchen, wurde die Mobilität eines integralen Modellpeptids und von fluoreszierenden Membransonden gemessen. Es konnte mit einzelmolekülempfindlichen Techniken gezeigt werden, dass das α-helikale Peptid und die kleinen Fluoreszenzfarbstoffe frei im hydrophoben Kern der Polymerdoppelschicht diffundieren können. Die Diffusion von beiden Spezies scheint stark von der Fluidität der Polymermatrix beeinflusst zu sein. Ein weiterer Teil dieser Arbeit widmet sich der Entwicklung eines angemessenen, lipidbasierten Referenzsystems für zukünftige Proteinuntersuchungen. Hierzu wurde eine neue Methode zu Herstellung von peptidgestützten Lipiddoppelschichtmembranen entwickelt. Dies wurde durch kovalente Befestigung eines Thiopeptids an einen Goldfilm und darauffolgende Anbindung eines Lipids erreicht. Zur Ausbildung der Lipiddoppelschicht auf dem Lipopeptidunterbau wurder der Rapid Solvent Exchange verwendet. Die Ausbildung der Lipiddoppelschicht wurde sowohl auf microskopischer als auch auf makroskopischer Ebene nachgewiesen. Im letzten Schritt wurde die Anwendbarkeit des Modelsystems für elektrochemische Messungen durch den funktionalen Einbau des Ionentransporters Valinomycin unter Beweis gestellt.Amphiphilic block copolymers form morphologies in water which are similar to the hydrophilic-hydrophobic-hydrophilic structure of natural lipid bilayers. In this thesis the preparation of solid supported polymer bilayers from poly (butadiene)-b-poly(ethylene oxide) (PB-PEO) and their physicochemical characterization is presented. Two different strategies for the preparation of polymeric bilayers were developed. The first route is a two step process utilizing an organized monolayer which was covalently attached to ultrasmooth gold upon Langmuir-Blodgett transfer. Hydrophobic interactions, on the other hand, were exploited to attach the second monolayer via Langmuir-Schaefer transfer. As a result, a homogeneous structure, similar to supported lipid bilayers was obtained. Alternatively vesicle spreading on gold is presented as an easy one step route to supported polymer bilayers. Again this produces bilayer coated surfaces with a high coverage. The prepared polymer bilayers possess a thickness of 11-14 nm depending on the preparation technique. The polymer structures resist drying for about 1.5 hours but disassemble after longer drying periods of 12 hours. This means that water is still necessary to stabilize these morphologies in the long term. To prove the biocompatibility it was shown that the membrane active peptide polymyxin B and the transmembrane protein α-haemolysin interact with the artificial membrane structure. rnMobility is an important factor for the correct function of many transmembrane proteins. To evaluate the lateral mobility of an integral model peptide and fluorescent membrane probes within the polymer bilayer plane 2D-diffusion was studied. It was proven by single molecule sensitive techniques that an α-helical peptide as well as small fluorescent probes can diffuse freely along the bilayer. The diffusion of either species seems to be strongly coupled to the fluidity of the membrane constituting matrix.rnA separate part of this thesis was dedicated to the search for an appropriate lipid based reference system for future protein studies. Therefore a new preparation route towards a peptide tethered lipid bilayer membrane was developed. This was achieved by covalent binding of a thiopeptide to a gold support and subsequent coupling of a lipid to that layer. The bilayer built-up on top of the produced lipopeptide support is completed through rapid solvent exchange. The lipid bilayer formation was proven microscopically as well as macroscopically. Finally the applicability of the model system for electrochemical measurements of transmembrane proteins was demonstrated with the functional incorporation of the ion carrier valinomycin.r