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Jochen Oelke

• The primary goal of this thesis was to design well-defined cell membrane models that locally display micro/nano-domains of bio-functional sugars, which mimic lipid rafts in biological cells. The uniqueness of this work exists in the use of fluorinated (and thus non-biological) lipid anchors with an aid of organic chemistry. In Chapter 2, the domains formed by a lipid with the largest degree of fluorination (FL17) were fully characterized. Owing to both hydrophobic and oleophobic nature of fluorinated lipids, they are separated from the matrix phospholipids membranes and create solid domains within a wide range of mixing ratio (up to 33 mol%). The size of sub-micrometer clusters, which is close to the resolution limit of the optical microscopy, was determined using grazing-incidence X-ray diffraction (GIXD) technique with an aid of analyzer crystal optics of a high spatial resolution. It has been demonstrated that each domain consists of single crystallite of fluorinated lipids, whoseThe primary goal of this thesis was to design well-defined cell membrane models that locally display micro/nano-domains of bio-functional sugars, which mimic lipid rafts in biological cells. The uniqueness of this work exists in the use of fluorinated (and thus non-biological) lipid anchors with an aid of organic chemistry. In Chapter 2, the domains formed by a lipid with the largest degree of fluorination (FL17) were fully characterized. Owing to both hydrophobic and oleophobic nature of fluorinated lipids, they are separated from the matrix phospholipids membranes and create solid domains within a wide range of mixing ratio (up to 33 mol%). The size of sub-micrometer clusters, which is close to the resolution limit of the optical microscopy, was determined using grazing-incidence X-ray diffraction (GIXD) technique with an aid of analyzer crystal optics of a high spatial resolution. It has been demonstrated that each domain consists of single crystallite of fluorinated lipids, whose diameter (~ 350 nm) is almost constant between 5 and 33 mol%. The highly mono-dispersive size distribution of the domains enables to treat them as two-dimensional colloidal particles. The radial distribution functions of the self-assembled lipid clusters can be obtained using a self-developed image analysis routine, yielding the potential of mean force. The positions of potential minima correspond to the correlation distance between domains, while spring constants of the potentials reflect how sharply the inter-domain correlations are confined. In Chapter 3, the influence of the molecular chemistry on the domain size has been examined by the systematic variation of the length and number of fluorinated chains. First, it was found that the domain size is not influenced by the number of fluorocarbon chains. More remarkably, the length of fluorocarbon chains significantly influenced the domain size: the change in the number of fluorocarbons from 10 to 17 results in the modulation of the domain size by more than an order of magnitude. Interestingly, however, the increase in the domain size was observed with the decrease in the chain length. This can successfully be explained by a so-called "equivalent dipole model", which takes into account the height mismatch between the fluorinated lipids and the surrounding matrix. As a preliminary attempt to add bio-functionality, a mannose monosaccharide was coupled to the head group. It has been confirmed that the fluorinated lipids do not loose the capability to form highly uniform domains in the presence of the mannose function. In Chapter 4, the surface of a flat-µ-fluidics chip was functionalized with the lipid monolayers that locally display the fluorinated lipid domains. The pre-structuring of chip surfaces with photolithography allows for the fabrication of a free standing, half-cylindrical water channel with the liquid volume of about 7 µl. As the first attempt, bacteria have mannose binding proteins were in contact with the mannose domains then subjected to various shear fields, which can be regulated up to 1000 s-1. The results obtained here demonstrated that synthetic lipids with non-biological fluorocarbon anchors can offer unique advantages over commonly used raft models composed of complex lipid mixtures to form highly uniform domains, whose size and distribution can be fine-tuned by molecular chemistry and mixing ratio, respectively.…
• Das Hauptziel dieser Arbeit war die Herstellung von wohldefinierten Zellmembran Modellen. Diese sollen Mikro- bzw. Nano-Domänen aufweisen, die aus bio-funktionellen Zuckergruppen aufgebaut sind, um Lipid-Rafts in biologischen Zellen zu imitieren. Die Einzigartigkeit dieser Arbeit liegt dabei in der Verwendung von fluorinierten und damit nicht-biologischen Lipid-Ankern unter Zuhilfenahme der organischen Chemie. In Kapitel 2 werden Domänen charakterisiert, die durch das Lipid mit höchstem fluorinierten Anteil erzeugt wurden. Auf Grund der sowohl hydrophoben als auch oleophoben Natur fluorinierter Lipide, entmischen diese in vielen Mischungsverhältnissen aus einer Matrix von Phospholipiden und erzeugen damit feste Domänen. Die Größe dieser Cluster, die nahe an der Auflösungsgrenze der optischen Mikroskopie liegt, wurde durch die granzing-incidence X-ray diffraction (GIXD) Technologie bestimmt unter Zuhilfenahme der hoch auflösenden Analysator-Kristall Optik. Es konnte nachgewiesen werden,Das Hauptziel dieser Arbeit war die Herstellung von wohldefinierten Zellmembran Modellen. Diese sollen Mikro- bzw. Nano-Domänen aufweisen, die aus bio-funktionellen Zuckergruppen aufgebaut sind, um Lipid-Rafts in biologischen Zellen zu imitieren. Die Einzigartigkeit dieser Arbeit liegt dabei in der Verwendung von fluorinierten und damit nicht-biologischen Lipid-Ankern unter Zuhilfenahme der organischen Chemie. In Kapitel 2 werden Domänen charakterisiert, die durch das Lipid mit höchstem fluorinierten Anteil erzeugt wurden. Auf Grund der sowohl hydrophoben als auch oleophoben Natur fluorinierter Lipide, entmischen diese in vielen Mischungsverhältnissen aus einer Matrix von Phospholipiden und erzeugen damit feste Domänen. Die Größe dieser Cluster, die nahe an der Auflösungsgrenze der optischen Mikroskopie liegt, wurde durch die granzing-incidence X-ray diffraction (GIXD) Technologie bestimmt unter Zuhilfenahme der hoch auflösenden Analysator-Kristall Optik. Es konnte nachgewiesen werden, dass jede Domäne aus einem einzigen Kristall fluorinierter Lipide besteht, dessen Durchmesser (~ 350nm) für Mischungsverhältnisse von 5 bis 33 mol% nahezu konstant bleibt. Die stark homogene Größenverteilung der Domänen ermöglicht es, sie als zweidimensionale Kolloid-Partikel zu betrachten. Die radiale Verteilungsfunktion der sich selbst organisierenden Lipid-Cluster wurde durch eine selbst entwickelte Bildverarbeitungsroutine bestimmt und daraus ein Potenzial der Mittleren Kraft abgeleitet. Die Positionen der Potenzialminima entsprechen dabei den Korrelationsabständen zwischen den Domänen während die Federkonstanten der Potentiale darstellen, wie stark die Domänen Korrelation ist. In Kapital 3 wird durch systematische Variation der Länge und Anzahl der fluorinierten Ketten der Einfluss der Molekular-Chemie auf die Domänen Größe untersucht. Zunächst wurde gezeigt, dass die Domänengröße nicht durch die Anzahl der Fluor-Karbon Ketten beeinflusst wird. Dafür ist aber bemerkenswert, dass die Länge der fluorinierten Kette einen signifikanten Einfluss auf die Domänen Größe hat: Die Änderung in der Anzahl der Kettenglieder von 10 auf 17 verursacht eine Änderung in der Domänengröße von mehr als einer Größenordnung. Interessanterweise wurde bei einem Anstieg der Kettenlänge eine Abnahme in der Domänengröße beobachtet. Dieses Phänomen kann mit dem so genannten "equivalent dipole model" erklärt werden, das den Höhenunterschied zwischen dem fluorinierten Lipid und der umgebenden Matrix mit berücksichtigt. Als Vorversuch einer Bio-Funktionalisierung wurde zunächst ein Mannose-Monosaccharid an die Kopfgruppe gebunden. Es konnte dann bestätigt werden, dass das modifizierte fluorinierte Lipid dadurch nicht seine Fähigkeit verliert Domänen zu bilden. In Kapitel 4 wurde die Oberfläche eines so genannten flat-µ-fluidic Chips mit einer Lipid Monolage beschichtet, die fluorinierte Lipid Domänen aufweist. Die Vorstrukturierung der Chip-Oberfläche mittels Photolithographie ermöglicht auf ihr das Ausbilden von halbzylindrischen Wasserkanälen mit einem Fassungsvermögen von etwa 7 µl. Als Vorversuch wurden dann Bakterien, die ein Mannose bindendes Proteine aufweisen in Kontakt mit den Mannose Domänen gebracht. Diese wurden dann verschiedenen Scherfeldern ausgesetzt wobei Scherraten von 1000s-1 eingestellt werden konnten. Als Ergebnis konnte in dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass synthetische Lipide mit nicht-biologischen Fluor-Karbon Ankerketten einzigartige Vorteile bieten gegenüber den bisher verwendeten Lipid-Raft Modellen, die sich in der Regel komplexer Lipid Mischungen bedienen. Es konnten extrem homogene Domänen erzeugt werden, deren Größe und Verteilung durch die Molekular-Chemie und das Mischungsverhältnis eingestellt werden kann.…