Influence of molecular structure on ordering and dynamics of lipids and proteins in biological membrane models [Elektronische Ressource] / put forward by Thomas Schubert

De
Dissertationsubmitted to theCombinedFacultiesfortheNaturalSciencesandforMathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural SciencesPut forward byDipl.Phys. Thomas SchubertBorn in York, Great BritainthOral examination: 28 October 2009INFLUENCE OF MOLECULAR STRUCTURE ONORDERING AND DYNAMICS OF LIPIDS ANDPROTEINS IN BIOLOGICAL MEMBRANEMODELSReferees: Prof. Dr. Motomu TanakaProf. Dr. Ulrich SchwarzvEinfluss molekularer Struktur auf die Ordnung und die Dynamik von Pro-teinen und Lipiden in Modellen biologischer MembranenIn dieser Arbeit wird die Struktur und die Dynamik von Modellmembranen mit einerKombination aus Experimenten und Simulationen untersucht. Die laterale Diffusioncan Lipide gekoppelter Prionproteine (PrP ) in planaren Lipidmembranen (“Festkörper-gestützte Membranen”) wird in Kapitel 5 mit einem selbstkonstruierten Einzelmolekül-cFluoreszenzmikroskop untersucht. Molekulare Variationen der PrP konnten durchihren Einfluss auf die Diffusionskoeffizienten anhand von Simulationen der thermischenZufallsbewegung erkannt werden. Zur Erweiterung des Verständnisses vom ÜberlebenvonArchaeenunterextremenBedingungwerdeninKapitel6Archaea-mimetischeLipideund Membranen untersucht. Die Struktur, Ordnung und laterale Diffusion dieser zykli-schen transmembranen Lipide wird durch optische Methoden und Röntgenstreuung un-tersucht.
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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Dissertation
submitted to the
CombinedFacultiesfortheNaturalSciencesandforMathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
Dipl.Phys. Thomas Schubert
Born in York, Great Britain
thOral examination: 28 October 2009INFLUENCE OF MOLECULAR STRUCTURE ON
ORDERING AND DYNAMICS OF LIPIDS AND
PROTEINS IN BIOLOGICAL MEMBRANE
MODELS
Referees: Prof. Dr. Motomu Tanaka
Prof. Dr. Ulrich Schwarzv
Einfluss molekularer Struktur auf die Ordnung und die Dynamik von Pro-
teinen und Lipiden in Modellen biologischer Membranen
In dieser Arbeit wird die Struktur und die Dynamik von Modellmembranen mit einer
Kombination aus Experimenten und Simulationen untersucht. Die laterale Diffusion
can Lipide gekoppelter Prionproteine (PrP ) in planaren Lipidmembranen (“Festkörper-
gestützte Membranen”) wird in Kapitel 5 mit einem selbstkonstruierten Einzelmolekül-
cFluoreszenzmikroskop untersucht. Molekulare Variationen der PrP konnten durch
ihren Einfluss auf die Diffusionskoeffizienten anhand von Simulationen der thermischen
Zufallsbewegung erkannt werden. Zur Erweiterung des Verständnisses vom Überleben
vonArchaeenunterextremenBedingungwerdeninKapitel6Archaea-mimetischeLipide
und Membranen untersucht. Die Struktur, Ordnung und laterale Diffusion dieser zykli-
schen transmembranen Lipide wird durch optische Methoden und Röntgenstreuung un-
tersucht. In Kapitel 7 werden Molekulardynamiksimulationen verwendet um Membra-
nen bestehend sowohl aus konventionellen als auch aus einzigartigen zyklischen Lipiden
mit atomarer Genauigkeit zu untersuchen, wobei eine hervorragende Übereinstimmung
mit den experimentellen Ergebnissen beobachtet wird. Eine optimierte Darstellung
der geordneten Membranen in der Gelphase erlaubt erstmals die erfolgreiche Simulation
von Schmelzübergängen erster Ordnung. Es wird ersichtlich, dass die Kombination opti-
scher Techniken im Realraum mit Streumethoden im reziproken Raum und ergänzenden
Computersimulationen ein mächtiges Werkzeug zur Entschlüsselung der Ordnung und
Dynamik biologischer Systeme auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen ist.
Influence of Molecular Structure on Ordering and Dynamics of Lipids
and Proteins in Biological Membrane Models
In this thesis, the structure and dynamics of model membranes are probed using a com-
cbination of experiments and simulations. The lateral diffusion of prion proteins (PrP )
coupled to lipid headgroups in planar lipid membranes (supported membranes) are in-
vestigated in Chapter 5 using a self-constructed single-molecule fluorescence microscope.
cUsing random walk simulations, molecular variations of the PrP were detected by their
influence on the lateral diffusion. In order to improve understanding of archaea sur-
vival under extreme conditions, archaea-mimetic lipids and membranes are investigated
in Chapter 6. The structure, ordering, and lateral diffusion of these cyclic transmem-
brane lipids are investigated by optical and X-ray scattering techniques. In Chapter 7,
molecular dynamics (MD) simulations are used to study membranes of conventional
phospholipids and unique cyclic lipids on the level of atomic detail, showing excellent
agreement with the experimental findings. An optimized representation of the ordered
gel phase allows for the first successful simulation of first order melting transitions.
Thus, the combination of optical techniques in real space and scattering experiments in
reciprocal space with complementary computer simulations is a powerful tool to unravel
the ordering and dynamics of biological systems in different length and time scales.vii
ACKNOWLEDGMENTS
I would like to thank
Prof. Motomu Tanaka for guidance and ideas throughout this thesis,
Prof. Ulrich Schwarz for kindly refereeing this thesis,
Emanuel Schneck for day and night discussions about science and lots of support for
this thesis,
Pit Seitz for the IGOR alliance and bringing consistency to this thesis,
Harden Rieger andTom Kaindl for suffering through proofreading,
Stefan Kaufman for finally letting me win some sets in badminton,
Alberto Zibetti for help with the transmembrane lipids,
Diana Stoycheva, Kai Hock and Wasim Abuillan for help with single-molecule
experiments,
Michael Bärmann andMonika Rusp for preparation of proteins,
and everybody else for the enjoyable working atmosphere.Contents
1 Introduction 1
2 Theoretical Background 7
2.1 Physics of Lipid Membrane Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Phases and Phase Transitions of Lipid Membranes . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Diffusion in Lipid Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Optics for Visible Light and X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Diffraction of X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 of Visible Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3 Total Reflection of Visible Light and X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Methods 17
3.1 Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Microscopy . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Single-Molecule Localization Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Analysis of Single-Molecule Random Walks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 Fluorescence Recovery after Photobleaching (FRAP) . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.5 X-Ray Reflectivity of Oriented Stratified Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.6 X-Ray Scattering of Unoriented Samples (SAXS/WAXS) . . . . . . . . . . . . . 24
3.7 Grazing-Incidence X-Ray Diffraction (GID) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.8 Modeling of GID and WAXS Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.9 Molecular Dynamics (MD) Simulations of Lipid Membranes . . . . . . . . . . . . 30
4 Materials and Experiments 33
4.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 Preparation of Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3 Optical Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3.1 Single-Molecule TIRF Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3.2 FRAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.3 Epi-Fluorescence Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 X-Ray and Neutron Scattering Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5 MD Software and Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5 Diffusion of Membrane-Anchored Prion Protein 43
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
c5.2 Single Dye Tracking (SDT) of Membrane-Anchored Prion-Protein (PrP ) . . . . 45
5.2.1 SDT Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2.2 Simulation-Based Analysis of the Diffusion Coefficients . . . . . . . . . . . 46
5.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3 Construction of a Two-Color Dual-Imaging TIRF Microscope . . . . . . . . . . . 52
5.3.1 Target Application of Instrument Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.3.2 Localization Accuracy and Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.3.3 Image Registration for Two-Color Co-Localization Microscopy . . . . . . . 54
6 Structure and Dynamics of Archaea-Mimetic Cyclic Lipid Membranes 61
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
ixx Contents
6.2 Supported Membranes of Cyclic Lipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2.1 Macroscopic Homogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2.2 Fluidity of Cyclic Lipid Membranes (FRAP) . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.3 X-Ray Reflectivity of Supported Monolayer Membranes . . . . . . . . . . . . . . 70
6.3.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.3.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.4 X-Ray Scattering of Unoriented Samples (SAXS/WAXS) . . . . . . . . . . . . . 73
6.4.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.4.2 Electron Density Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.5 X-Ray and Neutron Scattering of Oriented Multilayer Samples . . . . . . . . . . 81
6.5.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.5.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.6 Grazing Incidence X-Ray Diffraction (GID) of Oriented Samples . . . . . . . . . 85
6.6.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.6.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7 Structure and Thermodynamics of Lipid Membranes in Molecular Dynamics Sim-
ulations with Atomistic Detail 95
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.2 3D-Autocorrelation for Membrane Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.3 DPPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.3.1 Creating Highly Ordered Gel Phase Membranes . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.3.2 Unit Cell of Gel Phase Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.3.3 Chain Melting Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.3.4 Pre-Transition and Ripple Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.4 C20 Cyclic Lipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4.1 Structure and Ordering in the Gel Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4.2 Electron Density Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.4.3 Comparison to Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.4.4 Outlook to Fluid Phase Simulations of Cyclic Lipid Membranes . . . . . . 118
8 Conclusions 119
9 Outlook 123
A Appendix 125
A.1 Stereochemistry of Archaeol and Related Lipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
A.2 SAXS/WAXS of DMPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
A.3 DSC Measurement of DPPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.4 Prion Protein Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
References 131

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