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Bottom-up reconstitution using giant unilamellar vesicles as membrane compartments
Bottom-up reconstitution using giant unilamellar vesicles as membrane compartments
One of the most basic defining features of a living biological cell is its ability to confine its molecular components within an isolating boundary. In all living cells known to date, phospholipid membranes play this central role by separating cellular machinery from the outside environment. Compartmentalization by membranes is a key principle of life, not only on the scale of the cell as a whole, but, in many cases, within cells as well. This unification and isolation of essential processes within a single, definable unit has made life as we know it possible. As such, compartmentalization represents an essential task that had to be achieved in the emergence of life, as only a confining barrier to the environment allows for distinction of individual units of life and therefore for Darwinian evolution. Another core task of life, is the ability to reproduce. Modern cells are able to split into two daughter cells by deforming their compartmentalizing membrane barrier, all with a division machinery which is situated within this barrier itself – a quite remarkable feat. In this thesis, I present my doctoral work, which aimed to investigate these key features of life through bottom-up reconstitution approaches. Bottom-up cell biology uses isolated well-characterized components, like purified proteins, and tries to recreate cellular processes from these simple building blocks. One of the core challenges of classical cell biology is how to tackle the intrinsic complexity of biological systems with an analytical approach. Complexity is one of the most intrinsic features of life on earth, owing to billions of years of evolution. Biological cells are not designed to be understood and in fact, complexity itself contributes to the adaptability and robustness of biological function. However, by reconstitution of biological structure and function from the bottom-up with minimal components, scientists can observe and try to understand the emergence of biological complexity. Membranes, of course, play a great role in many cellular processes, and contribute significantly to this complexity. However, they can be difficult to incorporate into bottom-up reconstitution approaches, limiting our ability to get a complete view of such processes from in vitro experiments. In this thesis, I present a number of projects, which use giant unilamellar vesicles (GUVs) as mimicries of the compartmentalizing membranes of cells to investigate basic biological functions. I’ve encapsulated a diverse array of biological components in GUVs to achieve biomimetic behavior and function. In each case, I made use of the unique properties of the GUVs to achieve behaviors or make observations that would have not been possible with other approaches, including alternative model membrane systems. Overall, my work presents a step forward toward the reconstitution of complex and dynamic cellular processes under cell-like conditions., Eines der grundlegendsten Definitionsmerkmale einer lebenden biologischen Zelle ist ihre Fähigkeit, ihre molekularen Komponenten innerhalb einer isolierenden Barriere einzuschließen. In allen bis dato bekannten lebenden Zellen spielen Phospholipidmembranen diese zentrale Rolle, indem sie die zelluläre Maschinerie von der äußeren Umgebung abtrennen. Die Kompartmentalisierung durch Membranen ist ein Schlüsselprinzip des Lebens, nicht nur auf der Ebene der kompletten Zelle, sondern oft auch innerhalb von Zellen. Diese Einschließung und Isolierung wesentlicher Prozesse innerhalb einer einzigen, definierbaren Einheit hat Leben, wie wir es kennen, möglich gemacht. Damit stellt die Kompartimentierung eine wesentliche Aufgabe dar, die bei der Entstehung des Lebens realisiert werden musste, denn nur eine abgrenzende Barriere zur Umwelt ermöglicht die Unterscheidung einzelner Lebenseinheiten und damit die darwinistische Evolution. Eine weitere Kernaufgabe des Lebens, ist die Fähigkeit zur Vermehrung. Moderne Zellen sind in der Lage, sich durch Verformung ihrer kompartimentierenden Membranbarriere in zwei Tochterzellen zu teilen, und zwar mit einer Teilungsmaschinerie, die sich innerhalb dieser Barriere befindet - eine bemerkenswerte Leistung. In dieser Dissertation stelle ich meine Forschungsergebnisse vor, deren Ziel es war, diese Schlüsselmerkmale des Lebens durch Bottom-up-Rekonstruktionsansätze zu untersuchen. Die Bottom-up-Zellbiologie verwendet isolierte, gut charakterisierte Komponenten, wie gereinigte Proteine, und versucht, zelluläre Prozesse aus diesen einfachen Bausteinen zu rekonstruieren. Eine der Kernherausforderungen der klassischen Zellbiologie ist, wie man die intrinsische Komplexität biologischer Systeme mit einem analytischen Ansatz angehen kann. Komplexität ist eines der intrinsischen Merkmale des Lebens auf der Erde, das auf Milliarden von Jahren der Evolution zurückzuführen ist. Biologische Zellen sind nicht darauf ausgelegt, verstanden zu werden, und vielmehr trägt Komplexität zur Anpassungsfähigkeit und Robustheit biologischer Funktionsweisen bei. Durch die Rekonstruktion von biologischen Strukturen und Funktionen mit minimalen Komponenten können Wissenschaftler jedoch die Entstehung biologischer Komplexität beobachten und zu verstehen versuchen. Membranen spielen eine große Rolle in vielen zellulären Prozessen und tragen wesentlich zu dieser Komplexität bei. Sie können allerdings schwer in Bottom-up- Rekonstitutionsansätze zu integrieren sein, was die Möglichkeiten einschränken kann, einen vollständigen Blick auf solche Prozesse durch in vitro-Experimenten zu erhalten. In dieser Arbeit stelle ich eine Reihe von Projekten vor, die riesige unilamellare Vesikel (GUVs) als Nachahmung der kompartimentierenden Membranen von Zellen verwenden, um dabei grundlegende biologische Funktionen zu untersuchen. Dafür habe ich eine Vielzahl von biologischen Komponenten in GUVs eingekapselt, um biomimetisches Verhalten und Funktion zu erzielen. Dabei habe ich jeweils die einzigartigen Eigenschaften der GUVs genutzt, um Verhaltensweisen zu erreichen oder Beobachtungen zu machen, die mit anderen Ansätzen, einschließlich alternativer Modellmembransystemen, nicht möglich gewesen wären. Insgesamt stellt meine Arbeit einen Schritt vorwärts in Richtung der Rekonstruktion komplexer und dynamischer zellulärer Prozesse unter zellähnlichen Bedingungen dar.
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Litschel, Thomas
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Litschel, Thomas (2021): Bottom-up reconstitution using giant unilamellar vesicles as membrane compartments. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

One of the most basic defining features of a living biological cell is its ability to confine its molecular components within an isolating boundary. In all living cells known to date, phospholipid membranes play this central role by separating cellular machinery from the outside environment. Compartmentalization by membranes is a key principle of life, not only on the scale of the cell as a whole, but, in many cases, within cells as well. This unification and isolation of essential processes within a single, definable unit has made life as we know it possible. As such, compartmentalization represents an essential task that had to be achieved in the emergence of life, as only a confining barrier to the environment allows for distinction of individual units of life and therefore for Darwinian evolution. Another core task of life, is the ability to reproduce. Modern cells are able to split into two daughter cells by deforming their compartmentalizing membrane barrier, all with a division machinery which is situated within this barrier itself – a quite remarkable feat. In this thesis, I present my doctoral work, which aimed to investigate these key features of life through bottom-up reconstitution approaches. Bottom-up cell biology uses isolated well-characterized components, like purified proteins, and tries to recreate cellular processes from these simple building blocks. One of the core challenges of classical cell biology is how to tackle the intrinsic complexity of biological systems with an analytical approach. Complexity is one of the most intrinsic features of life on earth, owing to billions of years of evolution. Biological cells are not designed to be understood and in fact, complexity itself contributes to the adaptability and robustness of biological function. However, by reconstitution of biological structure and function from the bottom-up with minimal components, scientists can observe and try to understand the emergence of biological complexity. Membranes, of course, play a great role in many cellular processes, and contribute significantly to this complexity. However, they can be difficult to incorporate into bottom-up reconstitution approaches, limiting our ability to get a complete view of such processes from in vitro experiments. In this thesis, I present a number of projects, which use giant unilamellar vesicles (GUVs) as mimicries of the compartmentalizing membranes of cells to investigate basic biological functions. I’ve encapsulated a diverse array of biological components in GUVs to achieve biomimetic behavior and function. In each case, I made use of the unique properties of the GUVs to achieve behaviors or make observations that would have not been possible with other approaches, including alternative model membrane systems. Overall, my work presents a step forward toward the reconstitution of complex and dynamic cellular processes under cell-like conditions.

Abstract

Eines der grundlegendsten Definitionsmerkmale einer lebenden biologischen Zelle ist ihre Fähigkeit, ihre molekularen Komponenten innerhalb einer isolierenden Barriere einzuschließen. In allen bis dato bekannten lebenden Zellen spielen Phospholipidmembranen diese zentrale Rolle, indem sie die zelluläre Maschinerie von der äußeren Umgebung abtrennen. Die Kompartmentalisierung durch Membranen ist ein Schlüsselprinzip des Lebens, nicht nur auf der Ebene der kompletten Zelle, sondern oft auch innerhalb von Zellen. Diese Einschließung und Isolierung wesentlicher Prozesse innerhalb einer einzigen, definierbaren Einheit hat Leben, wie wir es kennen, möglich gemacht. Damit stellt die Kompartimentierung eine wesentliche Aufgabe dar, die bei der Entstehung des Lebens realisiert werden musste, denn nur eine abgrenzende Barriere zur Umwelt ermöglicht die Unterscheidung einzelner Lebenseinheiten und damit die darwinistische Evolution. Eine weitere Kernaufgabe des Lebens, ist die Fähigkeit zur Vermehrung. Moderne Zellen sind in der Lage, sich durch Verformung ihrer kompartimentierenden Membranbarriere in zwei Tochterzellen zu teilen, und zwar mit einer Teilungsmaschinerie, die sich innerhalb dieser Barriere befindet - eine bemerkenswerte Leistung. In dieser Dissertation stelle ich meine Forschungsergebnisse vor, deren Ziel es war, diese Schlüsselmerkmale des Lebens durch Bottom-up-Rekonstruktionsansätze zu untersuchen. Die Bottom-up-Zellbiologie verwendet isolierte, gut charakterisierte Komponenten, wie gereinigte Proteine, und versucht, zelluläre Prozesse aus diesen einfachen Bausteinen zu rekonstruieren. Eine der Kernherausforderungen der klassischen Zellbiologie ist, wie man die intrinsische Komplexität biologischer Systeme mit einem analytischen Ansatz angehen kann. Komplexität ist eines der intrinsischen Merkmale des Lebens auf der Erde, das auf Milliarden von Jahren der Evolution zurückzuführen ist. Biologische Zellen sind nicht darauf ausgelegt, verstanden zu werden, und vielmehr trägt Komplexität zur Anpassungsfähigkeit und Robustheit biologischer Funktionsweisen bei. Durch die Rekonstruktion von biologischen Strukturen und Funktionen mit minimalen Komponenten können Wissenschaftler jedoch die Entstehung biologischer Komplexität beobachten und zu verstehen versuchen. Membranen spielen eine große Rolle in vielen zellulären Prozessen und tragen wesentlich zu dieser Komplexität bei. Sie können allerdings schwer in Bottom-up- Rekonstitutionsansätze zu integrieren sein, was die Möglichkeiten einschränken kann, einen vollständigen Blick auf solche Prozesse durch in vitro-Experimenten zu erhalten. In dieser Arbeit stelle ich eine Reihe von Projekten vor, die riesige unilamellare Vesikel (GUVs) als Nachahmung der kompartimentierenden Membranen von Zellen verwenden, um dabei grundlegende biologische Funktionen zu untersuchen. Dafür habe ich eine Vielzahl von biologischen Komponenten in GUVs eingekapselt, um biomimetisches Verhalten und Funktion zu erzielen. Dabei habe ich jeweils die einzigartigen Eigenschaften der GUVs genutzt, um Verhaltensweisen zu erreichen oder Beobachtungen zu machen, die mit anderen Ansätzen, einschließlich alternativer Modellmembransystemen, nicht möglich gewesen wären. Insgesamt stellt meine Arbeit einen Schritt vorwärts in Richtung der Rekonstruktion komplexer und dynamischer zellulärer Prozesse unter zellähnlichen Bedingungen dar.