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Reichl, Maren (2014): Ionic thermophoresis and its application in living cells. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Although thermophoresis, i.e. the directed movement of molecules in a temperature gradient, was discovered more than 150 years ago, its molecular origin is not jet fully understood. Nonetheless thermophoresis is used as a principle in biomolecular binding measurements. Both topics are interesting and worth a scientific discussion. In this thesis, systematic experiments over a large parameter space were conducted. From these measurements a combination of different theories about its molecular origin could be verified. Thus, the first result of this thesis is that the phenomenon thermophoresis consists of different additive contributions. Some of them relate to the ionic nature of the molecule and are non-existent when the molecule is electrically neutral. The microscopic mechanism of these ionic contributions to thermophoresis is discussed in the first part. It continues the work on the capacitor model and explains a further contribution, which we call Seebeck effect in analogy to solid state physics. Through the different contributions we bridge the gap between local thermodynamic equilibrium approaches and non-equilibrium theories. Several applications will greatly benefit from understanding the molecular physics of thermophoresis. Pharmacological screens are conducted to determine the binding affinity of a whole molecular library to a target molecule and thus to identify the best candidates for a new drug. These screens will be improved when thermophoresis can be predicted and for example the influence of the buffer can be determined. Binding measurements of biomolecules can already be conducted in cell lysate. The second part of this thesis will show thermophoresis measurements inside living cells for the first time. This paves the way for in vivo binding measurements inside cells. To make thermophoresis measurements compatible to cell culture, the setup was changed in great parts, now using total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy.

Abstract

Obwohl Thermophorese, das heißt die gerichtete Bewegung von Molekülen in einem Temperaturgradienten, schon vor mehr als 150 Jahren entdeckt wurde, ist ihre molekulare Ursache noch nicht restlos geklärt. Nichtsdestotrotz wird das Prinzip Thermophorese bereits in biomolekularen Bindungsmessungen eingesetzt. Beide Themengebiete sind spannend und wert, wissenschaftlich behandelt zu werden. In dieser Arbeit werden Experimente präsentiert, die einen großen Parameterraum abdecken. Durch diese Messungen konnte eine Kombination von Theorien zur molekularen Ursache überprüft und bestätigt werden. Damit lautet das erste Ergebnis dieser Arbeit, dass sich das Phänomen Thermophorese aus verschiedenen, additiven Beiträgen zusammensetzt. Einige davon können der ionischen Natur der Moleküle zugeordnet werden und sind wirkungslos bei elektrisch neutralen Molekülen. Der mikroskopische Mechanismus dieser ionischen Thermophoresebeiträge wird im ersten Teil behandelt. Dabei werden Arbeiten über das Kondensatormodell weitergeführt und ein zusätzlicher Beitrag diskutiert, den wir in Analogie zur Festkörperphysik Seebeck-Effekt nennen. Durch die verschiedenen Beiträge ist es gelungen, Theorien zu vereinen, die einerseits von einem lokalen, thermischen Gleichgewicht ausgehen, oder andererseits ein Nicht-Gleichgewichts-Phänomen beschreiben. Das physikalische Verständnis der Thermophorese auf molekularer Basis kommt auch ihrer Anwendung zugute. In der Pharmazie werden “Rasterfahndungen” durchgeführt, in denen die Bindungsaffinität einer ganzen Molekülbibliothek an ein Zielmolekül gemessen wird, um so die besten Kandidaten für einen neuen Wirkstoff heraus zu filtern. Diese profitieren, wenn Thermophorese vorhergesagt und zum Beispiel der Einfluss des Puffers bestimmt werden kann. Bindungskurven von Biomolekülen können heute schon in Zelllysat gemessen werden. Im zweiten Teil der Arbeit werden zum ersten Mal Thermophoresemessungen in lebenden Zellen vorgestellt. Dies bereitet den Weg für Bindungsmessungen in vivo. Um Thermophoresemessungen kompatibel zu Zellkulturen zu gestalten, wurde der Aufbau in entscheidenden Teilen angepasst, unter Benutzung von interner Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (TIRF).