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Florian Strobl

• Die Aufnahme von Makromolekülen und Partikeln durch biologische Membranen ist ein grundlegender Prozess in lebenden Systemen. Ein prominentes Beispiel für solche Aufnahmeprozesse ist die Endozytose, bei der die aufgenommene Fracht von der Membran umschlossen wird. Im Allgemeinen wird angenommen, dass diese Prozesse durch Membranproteine gesteuert werden und Energie verbrauchen. Die ubiquitäre Grundstruktur solcher Membranen ist jedoch die Lipiddoppelschicht. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Frage, inwieweit endozytoseähnliche Prozesse bereits durch reine Lipidmembranen abgebildet werden können. Zunächst werden wichtige theoretische Grundlagen zur Physik von Lipidmembranen zusammengefasst und biologische Beispiele für Partikelaufnahmeprozesse in der Biologie besprochen. Anschließend wird zunächst experimentell gezeigt, dass Lipid-Riesenvesikel, die ein häufig verwendetes Modell für Zellmembranen sind, unter geeigneten Bedingungen zu einer massiven Partikelaufnahme fähigDie Aufnahme von Makromolekülen und Partikeln durch biologische Membranen ist ein grundlegender Prozess in lebenden Systemen. Ein prominentes Beispiel für solche Aufnahmeprozesse ist die Endozytose, bei der die aufgenommene Fracht von der Membran umschlossen wird. Im Allgemeinen wird angenommen, dass diese Prozesse durch Membranproteine gesteuert werden und Energie verbrauchen. Die ubiquitäre Grundstruktur solcher Membranen ist jedoch die Lipiddoppelschicht. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Frage, inwieweit endozytoseähnliche Prozesse bereits durch reine Lipidmembranen abgebildet werden können. Zunächst werden wichtige theoretische Grundlagen zur Physik von Lipidmembranen zusammengefasst und biologische Beispiele für Partikelaufnahmeprozesse in der Biologie besprochen. Anschließend wird zunächst experimentell gezeigt, dass Lipid-Riesenvesikel, die ein häufig verwendetes Modell für Zellmembranen sind, unter geeigneten Bedingungen zu einer massiven Partikelaufnahme fähig sind. Bei diesem Prozess werden die Partikel von Membran umhüllt und im Vesikelinneren angereichert. Ein einfaches aus bestehenden Erkenntnissen zu Partikel-Membran-Wechselwirkungen abgeleitetes numerisches Modell liefert ein phänomenologisches Phasendiagramm von möglichen Aufnahmemodi, das unter anderem eine unlimitierte Aufnahme mit den beobachteten Eigenschaften umfasst. Deren Grenzen werden in erster Linie durch die elastischen Eigenschaften der Membran, die Partikelgröße und die Adhäsionsstärke bestimmt. Die Vorhersagen dieses Modells werden im experimentellen Hauptteil der Arbeit mit Befunden verglichen, bei denen eben diese Größen variiert wurden. Eine Verfeinerung des Modells, die auch die Porenbildung in Lipidmembranen berücksichtigt, liefert schließlich Vorhersagen, die auch quantitativ mit den experimentellen Beobachtungen in Einklang stehen. Die mechanischen Eigenschaften von Lipidmembranen werden maßgeblich durch deren thermodynamischen Zustand bestimmt. Daher beschäftigt sich der zweite Teil der Arbeit mit thermodynamischen Einflüssen auf den modellierten Aufnahmeprozess. Es wird gezeigt, dass Zustandsänderungen der Membran prinzipiell die Aufnahme gezielt steuern können, was zum einen eine wichtige Erkenntnis für das Verständnis biologischer Aufnahmeprozesse liefert und zum anderen hoch relevant bei der Entwicklung von pharmazeutischen Partikeln sein kann. Abschließend werden in zwei Ausblicken erste Versuche zu möglichen Modellsystemen beschrieben, die für physikalische Untersuchungen von Transportprozessen in lebenden Systemen geeignet scheinen. Zellen der Armleuchteralge Chara australis sind experimentell extrem leicht zugänglich und eignen sich hervorragend für die Untersuchung von Erregungsphänomenen der Zellmembran bei Veränderung ihres thermodynamischen Zustands. Menschliche Endothelzellen unter Fluss sind wiederum ein anwendungsnahes Modellsystem für die Aufnahme von Partikeln in den menschlichen Körper.…
• The uptake of macromolecules and particles by biological membranes is a fundamental process in living systems. A prominent example of such uptake processes is endocytosis, in which the ingested cargo is enclosed by the membrane. In general, these processes are thought to be controlled by membrane proteins and energy consuming. However, the ubiquitous basic structure of such membranes is the lipid bilayer. This work therefore addresses the question to what extent endocytosis-like processes can already be found in pure lipid membranes. First, important theoretical basics on the physics of lipid membranes are summarized and examples of particle uptake processes in biology are discussed. It is first shown experimentally that lipid giant vesicles, which are a common model systems for cell membranes, are capable of massive particle uptake under suitable conditions. In this process, particles are enveloped by membrane and accumulated in the vesicle interior. A simple numerical model derivedThe uptake of macromolecules and particles by biological membranes is a fundamental process in living systems. A prominent example of such uptake processes is endocytosis, in which the ingested cargo is enclosed by the membrane. In general, these processes are thought to be controlled by membrane proteins and energy consuming. However, the ubiquitous basic structure of such membranes is the lipid bilayer. This work therefore addresses the question to what extent endocytosis-like processes can already be found in pure lipid membranes. First, important theoretical basics on the physics of lipid membranes are summarized and examples of particle uptake processes in biology are discussed. It is first shown experimentally that lipid giant vesicles, which are a common model systems for cell membranes, are capable of massive particle uptake under suitable conditions. In this process, particles are enveloped by membrane and accumulated in the vesicle interior. A simple numerical model derived from existing knowledge on particlemembrane interactions provides a phenomenoligical phase diagram of possible uptake modes, including unlimited uptake with the observed properties. Its limits are determined primarily by the elastic properties of the membrane, particle size, and adhesion strength. The predictions of this model are compared in the experimental main part of this thesis with findings in which those quantities were varied. Finally, a refinement of the model that also accounts for pore formation in lipid membranes yields predictions which are also quantitatively consistent with the experimental observations. The mechanical properties of lipid membranes are largely determined by their thermodynamic state. Therefore, the second part of the thesis deals with thermodynamic influences on the modeled uptake process. It is shown that changes in the state of the membrane can in principle control the uptake, which on the one hand provides an important finding for the understanding of biological uptake processes and on the other hand can be highly relevant for the development of pharmaceutical particles. Finally, two outlooks describe initial experiments on model systems which seem suitable for physical studies of transport processes in living systems. Cells of the stonewort alga Chara australis are easily accessible in experiments and are ideally suited for the study of excitation phenomena of cell membranes under thermodynamic state changes. In turn, human endothelial cells under flow are an application-oriented model system for the uptake of particles into the human body.…