Lipid Membranes at the Nanoscale: Single-Molecule Fluorescence Approach

Abstract

Komplexita buněčných membrán zdaleka není jen pouhé náhodné uskupení lipidů a proteinů, které odděluje buňku od okolního prostředí. Každá z tisíců různých složek membrán vykonává své specifické funkce důležité pro funkci celé buňky, neboť mnoho biologických procesů se odehrává právě na membránách. Pochopení těchto procesů na molekulové úrovni je cílem současného biologického výzkumu. Náš výzkum využívající detekci jednotlivých fluorescenčních molekul (např. FCS, FCCS, FLIM-FRET) přispěl k poznání laterální organizace membrán nebo mechanismu membránové fúze. Dále jsme odhalili mechanismus účinku membránově aktivního sekundárního metabolitu. Vzhledem k tomu, že je membránový systém živých buněk příliš složitý, byly naše experiment prováděny na modelových lipidových membránách, které umožňují studium lipid-lipidových a lipid-proteinových interakcí na molekulové úrovni kontrolovaným způsobem. První část této práce se zabývá studiem mechanismu působení sekundárního metabolitu didehydroroflamycoinu (DDHR) v membránách. Zjistili jsme, že DDHR je molekula tvořící póry v membránách a že je tato schopnost ovlivněna přítomností cholesterolu. Přímá vizualizace vlastní fluorescence DDHR ukázala jeho preferenční lokalizaci do oblastí membrán s vyšší uspořádaností lipidů. Druhá část práce je věnována studiu...

The complexity of cell membranes is far from being only a simple assembly of lipids and proteins separating cells from the surrounding environment. Each of the thousands of different membrane components performs its specific role in cellular functions, since a multitude of biological processes is mediated by membranes. The understanding of the molecular basis of these processes is one of the important aims of current biological research. Our research employing single- molecule fluorescence methods (e.g. FCS, FCCS, FLIM-FRET) has made a contribution to the knowledge of membrane lateral organization or mechanism of membrane fusion. Furthermore, we revealed the mechanism of membrane activity of a small natural compound. As native cell membranes are very complex structures, we performed the experiments on simplified model lipid membranes that allow studying lipid-lipid or lipid-protein interactions at the molecular level in a controlled way. The first part of this thesis deals with the mode of action of a membrane active secondary metabolite didehydroroflamycoin (DDHR). We demonstrated that DDHR is a pore-forming agent and that this activity is influenced by the presence of cholesterol. Direct visualization of intrinsic fluorescence of DDHR revealed its preferential partitioning into membrane areas...