title: On the Morphology and Dynamics of Purple Membranes at the Solid-Liquid Junction
title: On the Morphology and Dynamics of Purple Membranes at the Solid-Liquid Junction
title: Über die Morphologie und Dynamik von Purpurmembranen an der Fest-Flüssig-Grenzfläche
Creators: name: Baumann, Roelf-Peter
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Bakteriorhodopsin
Purpurmembran
Chemie
purple membrane
bacteriorhodopsin

description: Im Rahmen dieser Arbeit konnte
      gezeigt werden, dass das an der fest-flüssig Grenzfläche
      adsorbierte und in der Purpurmembran eingebettete
      Bacteriorhodopsin in Abhängigkeit von der Substratoberfläche
      zu einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Dynamik neigt.
      Dieser dynamische Wandel von BR wurde zum ersten Mal
      beobachtet, zeitaufgelöst untersucht und konnte schließlich
      für die teils gravierenden morphologischen Veränderungen der
      an der Oberfläche adsorbierten Purpurmembranen verantwortlich
      gemacht werden. Diverse extrinsische sowie intrinsische
      Faktoren, die dieWechselbeziehung aus Dynamik und Morphologie
      bestimmen, konnten identifiziert werden. Anhand dieser
      Erkenntnisse konnte ein allgemeines, vom Substrat
      unabhängiges Stabilitätskriterium abgeleitet werden, welches
      sowohl für BRWildtyp enthaltende als auch für die diversen
      Mutanten enthaltende Purpurmembranen Gültigkeit besitzt. Die
      freie Oberflächenenergie, sowie die Sustratrauheit stellen in
      diesem Zusammenhang extrinsische Schlüsselparameter dar,
      welche die Dynamik gar erst erlauben oder diese innerhalb der
      substratgebundenen Purpurmembranen unterbinden. Eine gezielte
      Punktmutation (D85T) verwandelt BR nicht nur in eine
      Chloridpumpe, sondern beeinflußt ebenfalls dramatisch das
      Kristallisationsverhalten, was wiederum zeigt welchen Einfluß
      und was für eine Rolle intrinsische Faktoren im Rahmen der
      beobachtetenWechselbeziehung innehaben. Interessanterweise
      konnte gezeigt werden, dass eine Stabilisierung der tertiären
      Struktur von BR-D85T, die intrinsisch durch die Bindung von
      Chlorid innerhalb der Retinalbindungstasche vermittelt wurde,
      die Fähigkeit von PM-D85T zur Ausbildung eines
      zusammenhängenden Kristallgitters wiederherstellt. PM-D85T
      ermöglichte außerdem die Krümmung von Purpurmembranen in den
      unterschiedlichen Intermediaten des Photozyklus im
      thermischen Gleichgewicht an der fest-flüssig Grenzfläche zu
      untersuchen. Die Seitendifferenzierung via SMFS und EFM
      zeigte, dass PM-D85T im M2-Photointermediat mit der
      zytoplasmatischen Seite nach außen gekrümmt ist. Im Gegensatz
      dazu ist sie, nachdem sie den durch eine flache Topographie
      gekennzeichneten N-Zustand durchlaufen hat, im finalen
      O-Photointermediat mit der extrazellulären Seite nach außen
      gekrümmt. Die unterschiedlichen beobachteten Krümmungsmodi
      verdeutlichen ein sich in der Natur wiederhohlendes Konzept
      der Kopplung von Form und Funktion, indem die Konformation
      von BR mit der Funktion als vektorieller Protonenpumpe zum
      Transport von Protonen von der zytoplasmatischen zur
      extrazellulären Seite eng verknüpft ist. Eine genauere
      Untersuchung der Krümmung ergab, dass kleinere Membranen sehr
      stark von den extrinsischen Einschränkungen, hervorgerufen
      durch dieWechselwirkung mit der Substratoberfläche,
      beeinflußt werden. Größere Membranen hingegen bewahren eine
      charakteristische Krümmung, die von den physikochemischen
      Bedingungen und der damit Verknüpften Form von BR abhängen.
      Dies zeigt, dass einzig und allein die intrinsischen
      Formänderungen des eingebetteten Proteins für die
      makroskopisch gekrümmte Natur der Membranen verantwortlich
      ist. Von einem nanobiotechnologischen Standpunkt aus
      betrachtet stellen Purpurmembranen einen supramolekularen
      Aktuator dar, der von sowohl intrinsischen, als auch
      extrinsischen Einflüssen verändert und in Gang gebracht
      werden kann. Diese Tatsache eröffnet ein weites Feld für
      mögliche Anwendungen, z.B. als chemomechanischer Wandler, der
      pH-Wert bedingt seine Form verändert und auf diese Weise mit
      seiner direkten Umgebung interagieren kann. Diese
      Interaktionsmöglichkeit rückt die Purpurmembranen in den
      Kontext anderer molekularer Maschinen und supramolekularer
      Schalter. Die beobachteten und tendenziel steuerbaren
      dynamischen Eigenschaften von BR und PM an der fest-flüssig
      Grenzfläche kombiniert mit der reversiblen Kontrolle über das
      PM Kristallisationsverhalten könnten die Erzeugung von
      großflächigen, künstlichen Membranen ermöglichen. Diese sind
      von großem Interesse für die optische Datenspeicherung,
      Anwendungen im Bereich der Photovoltaik oder als Templat für
      die Darstellung neuartiger Nanobiomaterialien wie
      Photonischekristalle.
description: In dependence on the substrate
      bacteriorhodopsin within purple membrane at the solid-liquid
      junction is prone to dynamical transitions which were
      observed for the first time and found to be responsible for,
      in part, large scale morphological changes of the adsorbed
      purple membrane patches. Extrinsic and intrinsic factors
      could be identified to govern the interplay of morphology and
      dynamics, which lead to the deduction of a general, substrate
      independent stability criterion applicable to purple
      membranes comprising BR-wild-type and variants alike. Surface
      free energy and substrate roughness are key extrinsic
      parameters in this context that enable or slow down dynamical
      transitions within solid-supported PMs. Conversion of BR into
      a chloride pump by a single-point mutation seriously affects
      its crystallization tendency and reveals how intrinsic
      factors figure into the observed interplay. Interestingly,
      upon stabilization of the tertiary structure of BR-D85T,
      intrinsically mediated by chloride binding in the retinal
      binding pocket, the ability of PM-D85T to form coherent
      crystalline domains can be restored. PM-D85T also allowed for
      purple membrane bending of various photocycle intermediates
      to be studied in thermal equilibrium at the solid-liquid
      junction. Side discrimination via SMFS and EFM showed that
      PM-D85T is bent cytoplasmic side out in the M2
      photointermediate and passes through a flat topology in the N
      intermediate in order to bend extracellular side out in the
      final O photointermediate. The different bending modes
      observed illustrate a reoccurring motif in nature of how the
      form of BR follows its function which is that of a vectorial
      proton pump transfering protons from the cytoplasmic to the
      extracellular medium. Membrane curvature was further analyzed
      to reveal that smaller membranes are strongly influenced by
      extrinsic constraints imposed by the substrate surface.
      Larger membranes on the contrary retain a characteristic
      curvature which is dependent on the physicochemical
      conditions and the corresponding shape of BR, thereby
      demonstrating that solely the intrinsic shape changes of the
      embedded proteins are responsible for the macroscopically
      bent nature of the membranes. From a nanobiotechnology
      perspective, PM represents a supramolecular actuator set in
      motion by intrinsic and extrinsic influences, which opens a
      wide field of possible applications. One example would be as
      chemomechanical transducer, which upon a pH-shift changes
      shape and thereby interacts with its environment. These
      interaction capabilities place purple membrane in the context
      of other molecular machines and supramolecular switches. The
      observed and tentatively tunable dynamical transitions and
      the ability to reversibly control PM crystallinity might
      allow for the preparation of larger artificial membranes,
      which might be used for data storage or photovoltaic
      applications or serve as template in the construction of
      novel nanobiomaterials such as photonic crystals.