Diffusion processes in membranes containing coexisting domains investigated by Fluorescence Correlation Spectroscopy

Abstract

Das Ziel dieser Studie ist es Domänen - und Mikrodomänenbildung in künstlichen planaren Lipidmembranen mit deren Diffusionsverhalten in Verbindung zu bringen. Dies geschieht mittels Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) und Monte-Carlo Simulationen. Das Bild, dass die Membranstrutur kein homogenes Gebilde, sondern ein heterogenes ist, hat sich in den letzten Jahren etabliert. Z.B. sind Diskussionen um sogenannte "Rafts" im Gange. Domänen mit einem hohen Cholesterin- und Spingholipidanteil. Jedoch sind bereits in reinen Lipidmembranen gel und fluide Makro- und Mikrodomänen (in denen sich die Lipidzustände unterscheiden) beobachtbar. Die Existenz von Domänen wird von Simulationen, die Methoden aus der statistischen Physik verwenden, ebenfalls vorhergesagt. Experimentell wurden sie durch konfokale Fluoreszenzmikroskopie (CFM) und Kraftmikroskopie (AFM) beobachtet. Das Vorkommen von gel und fluiden Heterogenitäten kann Diffusionsprozesse in Membranen beeinflussen. Deshalb wurden Diffusionsprozesse in hydratisierten multilamellaren Lipidmembranen verschiedener Komposition, die auf Quartzglasträger aufgebracht wurden, mittels FCS studiert. Fluoreszenzintensitätsfluktuationen, die mittels Autokorrelation analysiert werden, enthalten unter anderem Informationen über die mittlere Diffusionszeit durch den Laserfokus τD, die Diffusionskonstante Dτ und die mittlere Anzahl an Fluoreszenzmarkern im Fokus <N>. Der Diffusionskoeffizient in einer reinen fluiden Lipidmembran ist ungefähr um zwei Größenordnungen höher, als in einer rein gelförmigen Lipidmembran. Erniedrigung der Probentemperatur oder Zugabe von Salz erniedrigen den Diffusionskoeffizienten.Die Form des Korrelationsprofils in einer reinen fluiden oder einer reinen gelförmigen Lipidmembran unterscheidet sich von der in einem gel/fluid Koexistenzbereich. Die Autokorrelationskurven in den reinen Fällen können mittels eines Einkomponentenfits (Annahme eines Diffusionskoeffizienten) beschrieben werden. Im Koexistenzbereich werden zwei Diffusionskoeffizienten zum Beschreiben des Profils herangezogen. Dabei wird eine makroskopische Domänentrennung angenommen. Hierbei ergeben sich folgende Beobachtungen: Verlangsamung der schnellen Diffusionskomponente und schnellere Diffusion der langsamen Komponente. Dies kann ein Hinweis auf Mikrodomänen bedeuten. Die experimentellen FCS Kurven sind mittels Monte-Carlo Simulationen beschrieben worden. Diese nutzen die mittles Kalorimetrie bestimmten thermodynamischen Eigenschaften der Lipidmembranen.Schappschüsse aus den Simulationen zeigen die Existenz von mikroskopischen gel und fluiden Domänen innerhalb makroskopischener fluider, bzw. gelförmiger Domänen. Daunsere experimentellen Korrelationsprofile mit den theoretisch vorhergesagten übereinstimmen, kann dies eine Bestätigung des Vorkommens von Mikrodomänen in einer Größenorndung kleiner als der Fokusdurchmesser darstellen.Diese Studie stellt einen wichtigen Schritt zu einem besseren Verständnis der lateralen Organisation einer Lipidmembran, deren Dynamik und Kinetik dar.