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Optical control of lipid interaction in photolipid membranes
Optical control of lipid interaction in photolipid membranes
The physics of biological membranes is governed to a great extent by the interaction between the lipid molecules. Even slight changes of the interaction exerts a drastic effect on the properties of a membrane. Photoswitchable phospholipids, also called “photolipids”, provide an ideal opportunity to control the intermolecular interaction with light. Photolipids can be switched contactless and on fast timescales, allowing for reversible membrane manipulation with a high degree of spatiotemporal control. In this thesis, the physical properties of bilayer membranes consisting of an azobenzene-containing phosphatidylcholine, azo-PC, have been investigated. The photolipid incorporates an azobenzene group in its sn2 acyl chain that undergoes reversible photoisomerization on illumination with ultraviolet and blue light, respectively. Additionally, the main absorption peak of azo-PC in the trans state experiences a blue-shift when aggregated in a lipid membrane. The magnitude of the shift is sensitive to the local concentration of lipids and the phase state of the membrane. These optical properties are used to monitor phase separation in multicomponent membranes. Macroscopic domain formation results in anisotropic photolipid distribution, affecting both the optical and the mechanical properties of the membrane. Because of the blue-shift, the assembly and disassembly of photolipids in the trans state into lipid domains can be monitored by UV−vis spectroscopy. On top of that, isomerization of azo-PC is used to reversibly control domain formation and membrane stiffness with light. The presence of nanoscopic domains governs the behavior of the bending rigidity of binary azo-PC containing membranes. The photoisomerization of azo-PC allows furthermore to tune the lateral diffusion coefficient of a supported photolipid membrane by a factor of two. Similar to the effect of heat, conformational changes of the lipid tails lead to a modification of the area per lipid and hence a different diffusion coefficient. By using structured illumination, it is possible to generate compartments with specific diffusion coefficients on demand. Finally, the permeability of photolipid membranes is explored. Isomerization of azo-PC vesicles leads to a change of the surface to volume ratio. The resulting tension is released either by vesicle splitting or by exchange of liquid through transient pores. By measuring the ionic current through the membrane, the pore dynamics are observed as step like current spikes. The results presented in this thesis are valuable for understanding the effect of intermolecular interaction on the physical lipid bilayer properties. Using light as an immediate and precise stimulus for lipid membranes provides an ideal platform to study the dynamic response of lipid membranes themselves or the dynamics of receptors embedded in the membrane., Physikalische Eigenschaften von biologischen Membranen sind weitgehend durch die Interaktion zwischen den Lipidmolekülen bestimmt. Bereits kleine Änderungen der Wechselwirkung können sich drastisch auf die Eigenschaften einer Membrane auswirken. Photoschaltbare Phospholipide, auch „Photolipide“ genannt, eignen sich hervorragend, um die Wechselwirkung zwischen den Molekülen mit Licht zu steuern. Photolipide können berührungslos und schnell geschaltet werden, wodurch eine Membran reversibel und mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung manipuliert werden kann. In dieser Arbeit wurden die physikalischen Eigenschaften von Lipidmembranen untersucht, die aus einem photoschaltbaren Molekül aus der Gruppe der Lecithine, genannt azo-PC, bestehen. Dieses Photolipid enthält eine Azobenzol Gruppe in der Acylkette an der sn2 Position, welche mit UV und mit blauem Licht reversibel isomerisiert werden kann. Zusätzlich wird die Absorptionswellenlänge des trans Zustandes von azo-PC blauverschoben, wenn das Molekül in einer Lipidmembrane aggregiert ist. Die Größenordnung der Verschiebung ist von der lokalen Konzentration und dem Phasenzustand der Membran abhängig. Mit diesen optischen Eigenschaften kann man die Phasenseparation in mehrkomponentigen Membranen beobachten. Makroskopischer Domänen führen zu einer anisotropen Verteilung der Photolipide, die sowohl die optischen als auch die mechanischen Eigenschaften der Membran beeinflusst. Durch die Blauverschiebung kann die Bildung von Domänen mit Photolipiden im trans Zustand mit optischer Spektroskopie überwacht werden. Darüber hinaus können die Bildung von Domänen und die Membransteifigkeit mit Hilfe von Licht reversibel gesteuert werden. Nanoskopische Domänen beeinflussen das Verhalten der Biegesteifigkeit von zweikomponentigen Membranen, die azo-PC enthalten. Außerdem kann durch die Isomerisierung von azo-PC der laterale Diffusionskoeffizient von Photolipidmembranen verdoppelt werden. Konformationsänderungen der Lipidschwänze führen, ähnlich wie bei Wärmeeinwirkung, zu einer Veränderung der Lipidfläche und damit auch einer Veränderung des Diffusionskoeffizienten. Mit strukturierter Beleuchtung ist es möglich, nach Bedarf Bereiche mit definierten Diffusionskoeffizienten zu erzeugen. Abschließend wird die Permeabilität von Photolipidmembranen untersucht. Photoschalten von Vesikeln bestehend aus azo-PC Lipiden führt zu einer Veränderung des Verhältnisses von der Vesikeloberfläche und dessen Volumen. Die resultierende Spannung wird entweder durch Spaltung von Vesikeln oder durch Flüssigkeitsaustausch durch transiente Poren reduziert. Bei Messungen des Stroms durch die Membrane wird die Entstehung einer Pore durch einen diskreten Anstieg der Stromstärke beobachtet. Die Ergebnisse, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, heben den Einfluss von intermolekularen Wechselwirkungen auf die physikalischen Eigenschaften von Lipidmembranen hervor. Licht als unmittelbarer und präziser Stimulus für Lipidmembranen erlaubt es, die dynamischen Eigenschaften von Lipidmembranen oder von Rezeptoren, die in eine Membran eingebettet sind, zu untersuchen.
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Urban, Patrick
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Urban, Patrick (2021): Optical control of lipid interaction in photolipid membranes. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The physics of biological membranes is governed to a great extent by the interaction between the lipid molecules. Even slight changes of the interaction exerts a drastic effect on the properties of a membrane. Photoswitchable phospholipids, also called “photolipids”, provide an ideal opportunity to control the intermolecular interaction with light. Photolipids can be switched contactless and on fast timescales, allowing for reversible membrane manipulation with a high degree of spatiotemporal control. In this thesis, the physical properties of bilayer membranes consisting of an azobenzene-containing phosphatidylcholine, azo-PC, have been investigated. The photolipid incorporates an azobenzene group in its sn2 acyl chain that undergoes reversible photoisomerization on illumination with ultraviolet and blue light, respectively. Additionally, the main absorption peak of azo-PC in the trans state experiences a blue-shift when aggregated in a lipid membrane. The magnitude of the shift is sensitive to the local concentration of lipids and the phase state of the membrane. These optical properties are used to monitor phase separation in multicomponent membranes. Macroscopic domain formation results in anisotropic photolipid distribution, affecting both the optical and the mechanical properties of the membrane. Because of the blue-shift, the assembly and disassembly of photolipids in the trans state into lipid domains can be monitored by UV−vis spectroscopy. On top of that, isomerization of azo-PC is used to reversibly control domain formation and membrane stiffness with light. The presence of nanoscopic domains governs the behavior of the bending rigidity of binary azo-PC containing membranes. The photoisomerization of azo-PC allows furthermore to tune the lateral diffusion coefficient of a supported photolipid membrane by a factor of two. Similar to the effect of heat, conformational changes of the lipid tails lead to a modification of the area per lipid and hence a different diffusion coefficient. By using structured illumination, it is possible to generate compartments with specific diffusion coefficients on demand. Finally, the permeability of photolipid membranes is explored. Isomerization of azo-PC vesicles leads to a change of the surface to volume ratio. The resulting tension is released either by vesicle splitting or by exchange of liquid through transient pores. By measuring the ionic current through the membrane, the pore dynamics are observed as step like current spikes. The results presented in this thesis are valuable for understanding the effect of intermolecular interaction on the physical lipid bilayer properties. Using light as an immediate and precise stimulus for lipid membranes provides an ideal platform to study the dynamic response of lipid membranes themselves or the dynamics of receptors embedded in the membrane.

Abstract

Physikalische Eigenschaften von biologischen Membranen sind weitgehend durch die Interaktion zwischen den Lipidmolekülen bestimmt. Bereits kleine Änderungen der Wechselwirkung können sich drastisch auf die Eigenschaften einer Membrane auswirken. Photoschaltbare Phospholipide, auch „Photolipide“ genannt, eignen sich hervorragend, um die Wechselwirkung zwischen den Molekülen mit Licht zu steuern. Photolipide können berührungslos und schnell geschaltet werden, wodurch eine Membran reversibel und mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung manipuliert werden kann. In dieser Arbeit wurden die physikalischen Eigenschaften von Lipidmembranen untersucht, die aus einem photoschaltbaren Molekül aus der Gruppe der Lecithine, genannt azo-PC, bestehen. Dieses Photolipid enthält eine Azobenzol Gruppe in der Acylkette an der sn2 Position, welche mit UV und mit blauem Licht reversibel isomerisiert werden kann. Zusätzlich wird die Absorptionswellenlänge des trans Zustandes von azo-PC blauverschoben, wenn das Molekül in einer Lipidmembrane aggregiert ist. Die Größenordnung der Verschiebung ist von der lokalen Konzentration und dem Phasenzustand der Membran abhängig. Mit diesen optischen Eigenschaften kann man die Phasenseparation in mehrkomponentigen Membranen beobachten. Makroskopischer Domänen führen zu einer anisotropen Verteilung der Photolipide, die sowohl die optischen als auch die mechanischen Eigenschaften der Membran beeinflusst. Durch die Blauverschiebung kann die Bildung von Domänen mit Photolipiden im trans Zustand mit optischer Spektroskopie überwacht werden. Darüber hinaus können die Bildung von Domänen und die Membransteifigkeit mit Hilfe von Licht reversibel gesteuert werden. Nanoskopische Domänen beeinflussen das Verhalten der Biegesteifigkeit von zweikomponentigen Membranen, die azo-PC enthalten. Außerdem kann durch die Isomerisierung von azo-PC der laterale Diffusionskoeffizient von Photolipidmembranen verdoppelt werden. Konformationsänderungen der Lipidschwänze führen, ähnlich wie bei Wärmeeinwirkung, zu einer Veränderung der Lipidfläche und damit auch einer Veränderung des Diffusionskoeffizienten. Mit strukturierter Beleuchtung ist es möglich, nach Bedarf Bereiche mit definierten Diffusionskoeffizienten zu erzeugen. Abschließend wird die Permeabilität von Photolipidmembranen untersucht. Photoschalten von Vesikeln bestehend aus azo-PC Lipiden führt zu einer Veränderung des Verhältnisses von der Vesikeloberfläche und dessen Volumen. Die resultierende Spannung wird entweder durch Spaltung von Vesikeln oder durch Flüssigkeitsaustausch durch transiente Poren reduziert. Bei Messungen des Stroms durch die Membrane wird die Entstehung einer Pore durch einen diskreten Anstieg der Stromstärke beobachtet. Die Ergebnisse, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, heben den Einfluss von intermolekularen Wechselwirkungen auf die physikalischen Eigenschaften von Lipidmembranen hervor. Licht als unmittelbarer und präziser Stimulus für Lipidmembranen erlaubt es, die dynamischen Eigenschaften von Lipidmembranen oder von Rezeptoren, die in eine Membran eingebettet sind, zu untersuchen.