Potential and limitations of S-layers as support for planar lipid bilayers
Description
A huge step in the development of life was most certainly the formation of lipid membranes and the resulting possibility for generating confined volumes, structurally discrete from the environment. Yet, communication had to be maintained with the outside world, so these membrane borders were populated with functional units, like membrane receptors and transporters, enabling the exchange of material, energy and information. Therefore, from a scientific point of view, the requirement for analysis platforms for membrane proteins incorporated into model membrane scaffolds emerged. The membrane systems hosting arbitrary membrane proteins are desired to unite the features of stability and fluidity and to provide a quasi natural environment for the membrane proteins in order to maintain their structure and function. In the current state of the art there are hardly any relevant fluid membrane models, which is why in this project a prokaryotic protein-lipid architecture was mimicked as a promising supportive system for biological membranes. A large number of bacteria and archaea envelope their outer cell membrane with a proteinaceous lattice, the so-called surface- or S-layer. The present work deals with S-layer protein lattices as a support for anchored lipid bilayers. S-layer proteins show the intrinsic ability to self-assemble into periodically structured, two-dimensional patterns with a porous character. Genetic or chemical modification of the proteinaceous crystal layers can provide regularly spread binding moieties for functionalised lipids as components of a lipid membrane. In this project, a wildtype S-layer (SbpA from L. sphaericus exhibiting p4 lattice symmetry) was chemically activated to provide anchors for amino-functionalised lipids; and in a genetic approach a recombinant, HIS-tagged derivative was used for attracting Ni-functionalised lipids. The latter method seemed a more elegant way of lipid binding, since the anchoring regions were more regularly spread then after chemical modification and no additional activation step was necessary. The lipid bilayer was fabricated by binding and fusion of discoidal lipid structures, so-called bicelles, while monitoring the process in AFM and QCM-D. As an exemplary transmembrane protein, the nicotinic acetylcholine receptor nAChR was isolated from T. californica and purified using magnetic beads coated with an nAChR specific antibody. An S-layer supported membrane could be fabricated by chemical adsorption and fusion of bicelles, but no bicelles could be bound using the Ni-HIS-interaction on the recombinant S-layer. Further crystallisation and Ni-HIS-tag binding studies, including TEM analysis, as well as near surface charge (zeta-potential) measurements of the inner and outer surface of SbpA lattices, gave interesting insights into the folding and crystallisation ability and the accessibility of the C-terminal HIS-tag of the recombinant protein. In conclusion, S-layer lattices were found to be a potentially powerful tool for nanobiotechnologic applications including the build-up of supported planar lipid membranes. However, great effort needs to be put into the thorough analysis of 3D structural models and subsequently into the optimisation of S-layer crystallisation processes and the accessibility of functional moieties. (author)
Availability note (English)
Available from Library of the University of Natural Resources and Life Sciences, Gregor Mendel Strasse 33, 1180 Vienna (AT)Abstract (German)
Ein bedeutender Schritt in der Entstehung des Lebens war zweifelsohne die Bildung von Lipidmembranen und die sich daraus eroeffnenden Moeglichkeiten umschlossene, von ihrer Umwelt getrennte Raeume zu schaffen. Dennoch war es notwendig, die Kommunikation mit der Aussenwelt aufrecht zu erhalten, weswegen die Membranbarrieren mit funktionionellen Einheiten, wie Membranrezeptoren oder Transportern, besiedelt wurden, um den Austausch von Stoffen, Enerige und Informationen zu ermoeglichen. Aus wissenschaftlicher Sicht entstand daher das Beduerfnis nach Plattformen zum Testen von in Modellmembranen eingebetteten Membranproteinen. Diese Membransysteme sollten idealerweise hohe Stabilitaet und gleichzeitig eine natuerliche Fluiditaet aufweisen, um eine moeglichst lebensnahe Umgebung fuer die Proteine bereitzustellen und so ihre Struktur und Funktion zu bewahren. Da es zum derzeitigen Stand der Technik noch kaum relevante fluide Membranmodelle gibt, wurde in diesem Projekt eine prokaryontische Protein-Lipid-Architektur nachgeahmt, die ein vielversprechendes unterstuetzendes System fuer biologische Membranen darstellt. Eine Vielzahl von Bakterien und Archaeen umhuellen ihre aeussere Zellmembran mit einem Proteingitter, der sogenannten surface- oder S-Schicht. Die vorliegende Arbeit beschaeftigt sich mit S-Schicht Proteingittern als unterstuetzender Verankerungsmatrix fuer Lipiddoppelschichten. S-Schicht Proteine zeigen die intrinsische Faehigkeit, sich selbst in periodischen, zweidimensionalen Strukturen mit poroesem Charakter anzuordnen. Genetische oder chemische Modifikation dieser Proteinkristalle bietet die Moeglichkeit von regelmaessig verteilten Bindungsstellen fuer funktionalisierte Lipide als Komponenten einer Lipidmembran. In diesem Projekt wurde einerseits eine Wildtyp S-Schicht (SbpA von L. sphaericus mit p4 Gittersymmetrie) chemisch aktiviert, um Ankerstellen fuer amino-funktionalisierte Lipide zu bieten; und andererseits wurde in einem genetischen Ansatz ein rekombinantes, HIS-markiertes Derivat dazu verwendet, Ni-funktionalisierte Lipide anzubinden. Die letztere Methode erschien ein eleganterer Weg zur Lipidkopplung, da die Ankerstellen gleichmaessiger verteilt waeren als nach einer chemischen Modifizierung und auch kein zusaetzlicher Aktivierungsschritt notwendig waere. Die Lipiddoppelschicht wurde durch Bindung und Fusion scheibenfoermiger Lipidstrukturen, sogenannter Bicelles, hergestellt, waehrend dieser Prozess mittels AFM und QCM-D verfolgt wurde. Als exemplarisches Transmembranprotein wurde der nikotinische Acetylcholinrezeptor nAChR aus T. californica isoliert und unter Verwendung von magnetischen Kuegelchen und einem spezifischen Antikoerper gegen nAChR aufgereinigt. Es ist gelungen, eine S-Schicht unterstuetzte Membran mittels chemischer Anbindung und Fusion von Bicelles herzustellen, allerdings konnten unter Verwendung der Ni-HIS-Interaktion keine Bicelles an die rekombinante S-Schicht gebunden werden. Weitere Kristallisations- und Ni-HIS tag Bindungsstudien, inklusive TEM Analyse und Messung des oberflaechennahen Potentials (zeta-Potential) der Innen- und Aussenseite von SbpA Gittern, ermoeglichten interessante Einblicke in die Faltung und Kristallisationsfaehigkeit des rekombinanten Proteins, sowie die Zugaenglichkeit des C-terminalen HIS-tags. Als Schlussfolgerung aller gesammelten Daten und Erfahrungen wurde festgestellt, dass S-Schicht Gitter ein potentiell leistungsstarkes Werkzeug in nanobiotechnologischen Anwendungen, auch in der Konstruktion unterstuetzter, planarer Lipidmembranen, darstellen. Dennoch muessen viele Bemuehungen in die gruendliche Analyse von 3D Strukturmodellen und der daraus ableitbaren Optimierung des S-Schicht Kristallisationsprozesses und der Zugaenglichkeit von funktionellen Einheiten investiert werden. (author)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 140 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 44014751
- Subject category
- S37: INORGANIC, ORGANIC, PHYSICAL AND ANALYTICAL CHEMISTRY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- ACETYLCHOLINE; ATOMIC FORCE MICROSCOPY; CELL MEMBRANES; CRYSTALLIZATION; HISTIDINE; LAYERS; LIPIDS; NICKEL; RECEPTORS; TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY
- Descriptors DEC
- AMINO ACIDS; AMMONIUM COMPOUNDS; AUTONOMIC NERVOUS SYSTEM AGENTS; AZOLES; CARBOXYLIC ACIDS; CELL CONSTITUENTS; DRUGS; ELECTRON MICROSCOPY; ELEMENTS; ESTERS; HETEROCYCLIC ACIDS; HETEROCYCLIC COMPOUNDS; IMIDAZOLES; MEMBRANE PROTEINS; MEMBRANES; METALS; MICROSCOPY; NEUROREGULATORS; ORGANIC ACIDS; ORGANIC COMPOUNDS; ORGANIC NITROGEN COMPOUNDS; PARASYMPATHOMIMETICS; PHASE TRANSFORMATIONS; PROTEINS; QUATERNARY AMMONIUM COMPOUNDS; TRANSITION ELEMENTS