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Bernhard Fichtl

• Diese Arbeit ist zum einen dadurch motiviert, dass physikalische Gesetze einen universellen Charakter besitzen und deshalb auch für die Vorgänge des Lebens gültig sein sollten. Zum anderen ist sie von der Idee inspiriert, dass biologische Grenzschichten (z. B. (Zell-)Membranen), die das Grundgerüst allen Lebens bilden, weit mehr sind als semipermeable Barrieren: Sie stellen ein unabhängiges thermodynamisches System dar, das auf Störungen seiner Umgebung mit statischen und dynamischen Zustandsänderungen reagiert. Folglich können mit Hilfe des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik experimentell falsifizierbare Vorhersagen über das System und dessen Verhalten getroffen werden. Indes ist bekannt, dass die Aktivität von Enzymen entscheidend von äußeren Parametern, wie beispielsweise pH, Temperatur, Druck, Ionenstärke etc. abhängt. Da ein Großteil der Enzyme in der Natur aber nicht frei vorliegt, sondern in Membranen eingebettet ist, stellt sich die Frage, welche Rolle die physikalischenDiese Arbeit ist zum einen dadurch motiviert, dass physikalische Gesetze einen universellen Charakter besitzen und deshalb auch für die Vorgänge des Lebens gültig sein sollten. Zum anderen ist sie von der Idee inspiriert, dass biologische Grenzschichten (z. B. (Zell-)Membranen), die das Grundgerüst allen Lebens bilden, weit mehr sind als semipermeable Barrieren: Sie stellen ein unabhängiges thermodynamisches System dar, das auf Störungen seiner Umgebung mit statischen und dynamischen Zustandsänderungen reagiert. Folglich können mit Hilfe des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik experimentell falsifizierbare Vorhersagen über das System und dessen Verhalten getroffen werden. Indes ist bekannt, dass die Aktivität von Enzymen entscheidend von äußeren Parametern, wie beispielsweise pH, Temperatur, Druck, Ionenstärke etc. abhängt. Da ein Großteil der Enzyme in der Natur aber nicht frei vorliegt, sondern in Membranen eingebettet ist, stellt sich die Frage, welche Rolle die physikalischen Eigenschaften dieser Grenzflächen für die biochemischen Prozesse der Zelle und damit für das Leben selbst spielen. Diese Frage wird in der vorliegenden Dissertation anhand von (Lipid-)Monolagen, welche ein einfaches Membranmodell bilden, untersucht. Die auf einer Filmwaage durchgeführten Experimente erlauben es, physikalische und chemische Parameter wie z. B. Temperatur, pH, Ionenkonzentration etc. über einen weiten Bereich hinweg zu modifizieren und somit den physikalischen Zustand der Lipidmonolage gezielt zu manipulieren. Die Experimente in dieser Arbeit werden dabei in statische und dynamische Zustandsänderungen unterteilt: Im ersten Teil wird analysiert, wie sich quasi-statische Zustandsänderungen von Grenzschichten auf die Aktivität der Enzyme Katalase und Meerrettichperoxidase auswirken. Mittels einer Monolage wird demonstriert, dass die katalytische Rate der Enzyme vom Zustand des Systems abhängt. Dabei ist das entscheidende Maß die Suszeptibilität, d. h. unter dem Gesichtspunkt der Mechanik nicht wie häufig angenommen der Druck, sondern die Kompressibilität. Gleichzeitig ist die Kompressibilität an alle anderen Suszeptibilitäten des Systems, wie beispielsweise die Wärmekapazität oder die elektrische Kapazität, gekoppelt. Im Phasenübergang der Monolage wird sowohl die Umsatzgeschwindigkeit der Enzyme als auch die Kompressibilität der Grenzschicht maximal. Thermodynamisch gesehen bedeutet dies, dass die katalytische Rate der Enzyme durch die Fluktuationen des Gesamtsystems reguliert wird. Diese Beobachtung ist invariant gegenüber Änderungen von Lipid, pH, Temperatur und Enzym und kann daher als allgemein angesehen werden. Im zweiten Teil der Arbeit werden die dynamischen Eigenschaften von Lipidmonolagen und deren Einfluss auf Enzyme analysiert. Dabei wird zum ersten Mal gezeigt, dass mit einer lokalen pH-Erniedrigung propagierende akustische Pulse in Monoschichten erregt werden können. Die Pulse breiten sich mit einer Geschwindigkeit von circa 1 m/s aus und modulieren gleichzeitig alle Variablen der Grenzschicht. So sind die Pulse nicht rein mechanisch, sondern verändern simultan das Oberflächenpotential und den pH-Wert an der Grenzfläche. Weiterhin wird mittels einer lokalen Temperaturänderung illustriert, dass prinzipiell jede Variable der Grenzschicht zur Anregung von Pulsen verwendet werden kann. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird ein neues Modell der Zellkommunikation vorgeschlagen, das auf der Erregung und Ausbreitung von akustischen Pulsen basiert. Anhand der Enzyme Acetylcholinesterase und Phospholipase A2 wird nachgewiesen, dass die Pulse die Funktion von Proteinen (hier die Katalyse) in der Grenzschicht signifikant beeinflussen und somit für die Signaltransduktion in natürlichen Systemen in Frage kommen. Zusammenfassend stellen diese experimentellen Ergebnisse einen entscheidenden Schritt bei der Integration der Biochemie in ein physikalisches Weltbild dar. Sie belegen, dass der physikalische Zustand von Grenzschichten die Aktivität von Enzymen statisch wie dynamisch steuern kann. Zellkommunikation wird damit zu einer Folge des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, angewandt auf biologische Grenzschichten.…
• This work is partly motivated by the fact that the laws of physics are universal and should therefore also apply to the fundamental processes of life. Additionally, it is inspired by the idea that biological interfaces (e. g. (cell-)membranes), which form the basic structures of all life, are much more than just semipermeable barriers: they represent an independent thermodynamic system that responds to perturbations with static and dynamic state changes. Consequently, the second law of thermodynamics can be used to make falsifiable predictions about the system and its behavior. The activity of enzymes decisively depends on external parameters such as pH, temperature, pressure, ion strength, etc. Since the majority of enzymes in nature is embedded in membranes, the following question arises: what role do the physical properties of these interfaces play for the biochemical processes of the cell and hence for life itself? By using a simple membrane model (lipid monolayers), thisThis work is partly motivated by the fact that the laws of physics are universal and should therefore also apply to the fundamental processes of life. Additionally, it is inspired by the idea that biological interfaces (e. g. (cell-)membranes), which form the basic structures of all life, are much more than just semipermeable barriers: they represent an independent thermodynamic system that responds to perturbations with static and dynamic state changes. Consequently, the second law of thermodynamics can be used to make falsifiable predictions about the system and its behavior. The activity of enzymes decisively depends on external parameters such as pH, temperature, pressure, ion strength, etc. Since the majority of enzymes in nature is embedded in membranes, the following question arises: what role do the physical properties of these interfaces play for the biochemical processes of the cell and hence for life itself? By using a simple membrane model (lipid monolayers), this dissertation sheds some light on this question. The experiments are performed on a Langmuir trough, which can modify physical and chemical parameters such as temperature, pH and ion strength over a broad range and thus can specifically manipulate the state of the lipid monolayer. The experiments in this thesis are subdivided into static and dynamic state changes. In the first part, we analyze how quasi-static state changes affect the activity of the interfacial enzymes Catalase and Horseradish-Peroxidase. Monolayer experiments reveal that the catalytic rate of the enzymes strongly depends on the state of the system. The crucial measure in this case is the susceptibility, which from a mechanical point of view corresponds to the compressibility of the interface, and is simultaneously coupled to all other susceptibilities, e. g. heat capacity or electrical capacity. In the phase transition of the monolayer, the turnover number as well as the compressibility of the interface exhibit a clear maximum. Thermodynamically speaking, this means that the catalytic rate of the enzyme is controlled by the fluctuations of the entire system. This observation is invariant against changes in lipid, pH, temperature and enzyme, and therefore it can be considered generally valid. In the second part, we study the dynamic properties of lipid monolayers and their influence on enzyme function. For the first time it is shown that a local pH drop at lipid monolayers can excite acoustic pulses within the interface. The pulses propagate with velocities of around 1 m/s, and they modulate all variables of the interface at the same time. Hence the pulses are not purely mechanical, and they can change the surface potential as well as the local pH at the surface simultaneously. Furthermore, we demonstrate that local changes in temperature can also evoke pulses. This indicates that, in principle, any variable of the interface can be used for the excitation of pulses. Based on these findings, a novel model for cell communication, which is based on the excitation and propagation of acoustic pulses, is proposed. Experiments with the enzymes Acetylcholinesterase and Phospholipase A2 illustrate that these sound pulses significantly affect protein function (i.e. enzyme catalysis) and therefore might be an essential tool for biological signaling. In summary, our experimental results represent an important step towards the integration of biochemistry into a physical world view. They demonstrate that the physical state of interfaces statically and dynamically controls the enzyme activity. Biological signaling is therefore a consequence of the second law of thermodynamics applied to biological interfaces.…