Solid Supported Model Membranes Containing Plant Glycolipids: A Tool to Study Interactions between Diatom Biomolecules and the Silicalemma in vitro

by Oliver Gräb
Doctoral thesis
Date of Examination:2017-06-13
Date of issue:2017-06-22
Advisor:Prof. Dr. Claudia Steinem
Referee:Prof. Dr. Claudia Steinem
Referee:Prof. Dr. Daniel John Jackson
Referee:Prof. Dr. Burkhard Geil
Referee:Prof. Dr. Bert De Groot
Referee:Dr. Jochen Hub
Referee:Dr. Sebastian Kruss
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6368

 

 

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Abstract

English

Silica biomineralization in diatoms is presumably controlled by a self-assembly of biomolecules inside membrane-enclosed silica deposition vesicles. The fine-patterned structure of the diatom’s cell wall is thereby determined by the morphology of the templating organic matrix. Several studies addressed self- or co-aggregation of silica-associated biomolecules in solution but no research focusing on the influence of the organelle surrounding lipid bilayer was published so far. This study aimed on the investigation of interactions between exemplary diatom biomolecules and lipid membranes in vitro. As a basis for all experiments, protocols for the preparation of solid supported model membranes, mimicking the overall lipid composition of diatoms and containing the three glycolipids monogalactosyldiacylglycerol, digalactosyldiacylglycerol and sulfoquinovosyl-diacylglycerol were established. Artificial model membranes were successfully prepared and characterized on hydrophobically functionalized gold and glass supports as well as on hydrophilic silicon dioxide and mica surfaces. These model systems were first applied to study the interactions of two exemplary recombinant cingulins with lipid membranes. Cingulins show structural similarities to silaffins and were recently identified as part of the organic matrix inside the diatom biosilica. Adsorption measurements revealed no significant interactions between these proteins and lipid membranes. In addition, long-chain polyamines (LCPA) marked a second class of biomolecules localized in the diatom biosilica and were used in this study as well. LCPA are known to aggregate in solution and catalyze silica precipitation. Herein, for the first time, synthetic LCPA with molecular masses matching the range of LCPA isolated from diatoms were investigated with regard to their interaction with lipid membranes. Upon adsorption of LCPA the formation of membrane stacks was observed and characterized. These stacks were formed from vesicles in solution and were proven to be connected to the underlying membrane. While stack formation was found to be independent of the membrane composition, a clear dependency on polyamine chain-length was observed since only LCPA with more than five amine groups mediated stack formation.
Keywords: Long-chain polyamine; Cingulin; Plant lipid; Solid supported membrane

German

Die Silika-Biomineralisation in Kieselalgen wird vermutlich durch aggregierte Biomoleküle innerhalb der Silika-Ablagerungsvesikel kontrolliert. Die Struktur der gebildeten Zellwand wird dabei durch die Morphologie der organischen Vorlage definiert. Mehrere Studien haben sich bereits mit der Selbst- und Co-Aggregation verschiedener Biomoleküle in Lösung beschäftigt, aber es wurden bisher noch keine Forschungen zum Einfluss der Organell-umschließenden Lipiddoppelschicht durchgeführt. Diese Studie zielte auf die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen beispielhaften Kieselalgenbiomolekülen und Lipidmembranen in vitro ab. Als Grundlage für alle Experimente wurden Protokolle für die Präparation festkörperunterstützter Modellmembranen entwickelt, die die Gesamtlipidzusammen-setzung von Kieselalgen widerspiegeln und die drei Glycolipide, Monogalactosyl-diacylglycerol, Digalactosyldiacylglycerol und Sulfoquinovosyldiacylglycerol, enthalten. Künstliche Modellmembranen konnten sowohl auf hydrophob funktionalisiertem Gold und Glas als auch auf hydrophilen Siliziumdioxid- und Glimmeroberflächen erzeugt und charakterisiert werden. Diese Modellsysteme wurden zuerst für die Untersuchung der Wechselwirkung zweier exemplarischer, rekombinanter Cinguline mit Lipidmembranen angewandt. Cinguline zeigen strukturelle Ähnlichkeiten zu Silaffinen und wurden kürzlich als Teil der organischen Matrix innerhalb des Kieselalgenbiosilikas identifiziert. Adsorptionsmessungen zeigten keine signifikanten Wechselwirkungen dieser Proteine mit Lipidmembranen. Zusätzlich wurde mit langkettigen Polyaminen (englisch long-chain polyamines, LCPA) eine zweite Klasse von Biomolekülen untersucht, die ebenfalls im Kieselalgenbiosilika lokalisiert wurden. Es ist bekannt, dass LCPA in Lösung aggregieren und die Silikafällung katalysieren. In dieser Arbeit wurden zum ersten Mal LCPA, deren molekulare Massen denen aus Kieselalgen isolierten Molekülen entsprachen, im Hinblick auf ihre Wechselwirkung mit Lipidmembranen untersucht. Nach Adsorption der LCPA wurde die Bildung von Membranmultischichten beobachtet und charakterisiert. Diese Multischichten wurden aus Vesikeln aus der Lösung gebildet und es konnte eine Verbindung zur unterliegenden Membran nachgewiesen werden. Während die Multischichtbildung von der Membran-zusammensetzung unabhängig war, zeigte sich eine klare Abhängigkeit von der Kettenlänge der LCPA. Mehr als fünf Aminogruppen waren für die Multischichtbildung nötig.
 
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