Probing the interaction between single molecules and lipid bilayers with atomic force microscopy

Abstract: Biomembranes constitute the nanoscale barrier of the cell against foreign particles and play a key role in a number of cellular activities. Atomic force microscopy (AFM) is an ideal tool for investigations on the nanoscale. For one, it is able to image surfaces with horizontal and vertical sub-nm resolution. On the other hand, force spectroscopy allows the measurement of interaction forces of single molecules with surfaces.

In this work, the interaction of single molecules with lipid bilayers is investigated with AFM. Three systems are covered:
In a first part, images of the motor complex of the motility structure of archaea, the archaellum, are presented. It is composed of proteins FlaX, FlaH and FlaI and anchored in S. acidocaldarius’ outer membrane. Both full length FlaX and its truncated version FlaXc are imaged. Rings formed by FlaXc are imaged and quantified. The FlaX/FlaI complex is successfully assembled in the AFM chamber. The interaction between FlaXc and FlaH is shown by SEC and AFM imaging. Thus, FlaXc , FlaH and FlaI complex formation is shown and novel structural insights are gained.
The second part reports first images of toxins P. luminescens TcdA1 and C. difficile TcdB on a supported lipid bilayer. A significant amount of toxin binds to the bilayer at neutral pH in the absence of receptor. Lack of diffusion indicates that toxin particles penetrate the membrane. This observation is supported by FRAP measurements. Endocytosis is mimicked by acidification while imaging the particles over time. No large conformational change is observed leading to the conclusion that the toxin particles imaged in neutral conditions are already forming a pore and there is no pre-pore state in the chosen imaging conditions (i.e. in the absence of receptor).
Finally, the interaction of a single polystyrene molecule with a lipid bilayer is investigated with force spectroscopy. For this purpose, a single polystyrene molecule is coupled to an AFM cantilever tip. The interaction with bilayer surface as well as core are investigated. Two different coupling protocols yield distinct interaction with core and surface of the bilayer. With sufficient passivation the observed interaction with the surface is the same as with the core. Thus, the single polystyrene molecule is able to enter the bilayer core of its own accord.

In summary, the work shows how different molecules interact with lipid bilayers and how these interactions are influenced by the conditions. A combination of single molecule force spectroscopy and imaging by AFM is a perfect tool to quantify particle lipid interactions and obtain dynamic mechanistic insights
Abstract: Biomembranen stellen die erste Barriere der Zelle gegen fremde Partikel dar. Sie spielen eine Schlüsselrolle in einer Reihe von zellulären Aktivitäten. Die Rasterkraftmikroskopie (engl. atomic force microscopy, AFM) ist ein ideales Werkzeug für Untersuchungen auf der Nanoskala. Einerseits ist sie dazu in der Lage, Oberflächen mit horizontaler und vertikaler sub-nm-Auflösung abzubilden. Andererseits macht die Kraftspektroskopie die Quantifizierung von Interaktionskräften einzelner Moleküle mit Oberflächen möglich.

In dieser Arbeit wird die Interaktion einzelner Moleküle mit Lipiddoppelschichten mit Hilfe von AFM untersucht. Sie umfasst drei Systeme:
In einem erstem Teil werden Bilder des Motorkomplexes der Archaen, dem Archaellum, präsentiert. Es setzt sich aus den Proteinen FlaX, FlaH und FlaI zusammen und ist in der äußeren Membran von S. acidocaldarius verankert. FlaX wird sowohl in voller Länge als auch in seiner verkürzten Version FlaXc abgebildet. Die von FlaXc gebildeten Ringe werden abgebildet und quantifiziert. Der FlaX/FlaI Komplex wird erfolgreich in der AFM-Messkammer assembliert. Die Interaktion zwischen FlaXc , und FlaH wird durch SEC und AFM nachgewiesen. Somit kann gezeigt werden, dass sich FlaXc FlaH und FlaI in einem Komplex anordnen.
Der zweite Teil zeigt erste Bilder von den Toxinen P. luminescens TcdA1 und C. difficile TcdB auf einer gestützten Lipiddoppelschicht. Ein signifikanter Teil der Toxine bindet bei neutralem pH in Abwesenheit von Rezeptor. Das Fehlen von Diffussion weisst darauf hin, dass die Toxinpartikel die Membran penetrieren. Diese Beobachtung wird durch FRAP-Experimente bestätigt. Ein Ansäuern der Messkammer simuliert Endozytose während ein einzelnes Partikel über die Zeit beobachtet wird. Es kann keine große Konformationsänderung beobachtet werden. Dies führt zu dem Schluss, dass die Toxinpartikel, welche in neutralem pH abgebildet wurden, schon eine Pore formen und es keinen Prä-Poren-Zustand in den gewählten Vorraussetzungen (d.h. in der Abwesenheit eines spezifischen Rezeptors) gibt.
Schließlich wird die Interaktion eines einzelnen Polystyrol-Moleküls mit einer Lipiddoppelschicht untersucht. Zu diesem Zweck wird ein einzelnes Polystyrol-Molekül an die Spitze eines Cantilever gekoppelt. Die Interaktion sowohl mit der Oberfläche als auch mit dem Kern der Lipiddoppelschicht wird untersucht. Zwei unterschiedliche Kopplungsprotokolle führen zu unterschiedlicher Interaktion mit Oberfläche und Kern der Lippiddoppelschicht. Mit einer ausreichenden Passivierung ist die beobachtete Interaktion mit der Oberfläche dieselbe wie die mit dem Kern. Demzufolge kann das einzelne Polystyrol-Molekül selbstständig in die Lipiddoppelschicht eindringen.

Zusammenfassend zeigt die Arbeit, wie verschiedene Moleküle mit Lipiddoppelschichten interagieren und wie diese Interaktionen durch die Bedingungen beeinflusst werden. Die Kombination von Einzelmolekülkraftspektroskopie und AFM-Abbildungen stellt ein ideales Instrument zur Quantifizierung von Teilchen-Lipidinteraktionen dar und ermöglicht es, Einblicke in dynamische Mechanismen zu erlangen

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2018

Classification and Topics

• Keyword: Molecules ; Bilayer lipid membranes ; Atomic force microscopy ; Rasterkraftmikroskopie ; Biophysik ; Toxin ; Archaebakterien ; Polystyrol ; Funktionalisierung

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2018
• Creator: Brander, Sofia
• Contributor: Hugel, Thorsten ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Chemie und Pharmazie

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/16868
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-168686
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:51 PM CET