TY  - BOOK
A1  - Gutlederer, Erwin Johann
T1  - On the morphology of vesicles. - [überarb. Diss.]
N2  - This dissertation contains theoretical investigations on the morphology and statistical mechanics of vesicles. The shapes of homogeneous fluid vesicles and inhomogeneous vesicles with fluid and solid membrane domains are calculated. The influence of thermal fluctuations is investigated. The obtained results are valid on mesoscopic length scales and are based on a geometrical membrane model, where the vesicle membrane is described as either a static or a thermal fluctuating surface. The thesis consists of three parts. In the first part, homogeneous vesicles are considered. The focus in this part is on the thermally induced morphological transition between vesicles with prolate and oblate shape. With the help of Monte Carlo simulations, the free energy profile of these vesicles is determined. It can be shown that the shape transformation between prolate and oblate vesicles proceeds continuously and is not hampered by a free energy barrier. The second and third part deal with inhomogeneous vesicles which contain intramembrane domains. These investigations are motivated by experimental results on domain formation in single or multicomponent vesicles, where phase separation occurs and different membrane phases coexist. The resulting domains differ with regard to their membrane structure (solid, fluid). The membrane structure has a distinct effect on the form of the domain and the morphology of the vesicle. In the second part, vesicles with coexisting solid and fluid membrane domains are studied, while the third part addresses vesicles with coexisting fluid domains. The equilibrium morphology of vesicles with simple and complex domain forms, derived through minimisation of the membrane energy, is determined as a function of material parameters. The results are summarised in morphology diagrams. These diagrams show previously unknown morphological transitions between vesicles with different domain shapes. The impact of thermal fluctuations on the vesicle and the form of the domains is investigated by means of Monte Carlo simulations.
N2  - Die vorliegende Arbeit enthält theoretische Untersuchungen zur Morphologie und statistischen Mechanik von Vesikeln. Es wird die Gestalt homogener fluider Vesikel und inhomogener Vesikel mit fluiden und festen Membrandomänen berechnet. Der Einfluss thermischer Fluktuationen wird untersucht. Die erzielten Ergebnisse beziehen sich auf mesoskopische Längenskalen und basieren auf einem geometrischen Membranmodell, in welchem die Vesikelmembran als statische, beziehungsweise thermisch fluktuierende Fläche beschrieben wird. Die Arbeit besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil werden homogene fluide Vesikel betrachtet. Das Interesse gilt dem thermisch induzierten Morphologieübergang zwischen prolaten und oblaten Vesikelformen. Mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen wird ein freies Energieprofil für diese Vesikel ermittelt. Es kann gezeigt werden, dass die Formumwandlung zwischen prolaten und oblaten Formen kontinuierlich verläuft und mit keiner freien Energiebarriere verbunden ist. Der zweite und dritte Teil beschäftigt sich mit inhomogenen Vesikeln, die intramembrane Domänen enthalten. Ausgangspunkt und Motivation der Berechnungen sind experimentelle Studien über Domänbildung in ein- oder mehrkomponentigen Vesikelmembranen, bei denen Phasentrennung stattfindet und unterschiedliche Membranphasen koexistieren. Die dabei auftretenden Domänen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Membranstruktur (fest, fluid). Diese beeinflusst die Form der Domäne und des gesamten Vesikels auf entscheidende Weise. Im zweiten Teil werden Vesikel untersucht, bei denen feste und fluide Membrandomänen koexistieren, Teil drei widmet sich Vesikeln mit zwei koexistierenden fluiden Membranphasen. In Abhängigkeit von Materialparametern werden durch Minimierung der Membranenergie die Grundzustandsformen von Vesikeln mit einfachen und komplexen Domänenformen bestimmt. Die Ergebnisse werden in Morphologiediagrammen zusammengefasst. Dabei werden bisher unbekannte Morphologieübergänge zwischen Vesikeln mit unterschiedlichen Domänformen beobachtet. Die Auswirkungen thermischer Fluktuationen auf die Vesikel und die Form ihrer Domänen werden mittels Monte-Carlo-Simulationen untersucht.
KW  - Vesikel
KW  - Membran
KW  - Domänen
KW  - vesicle
KW  - membrane
KW  - domains
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15065
ER  - 
TY  - THES
A1  - Li, Yanhong
T1  - Phase separation in giant vesicles
T1  - Phasentrennung in Riesenvesikeln
N2  - Giant vesicles may contain several spatial compartments formed by phase separation within their enclosed aqueous solution. This phenomenon might be related to molecular crowding, fractionation and protein sorting in cells. To elucidate this process we used two chemically dissimilar polymers, polyethylene glycol (PEG) and dextran, encapsulated in giant vesicles. The dynamics of the phase separation of this polymer solution enclosed in vesicles is studied by concentration quench, i.e. exposing the vesicles to hypertonic solutions. The excess membrane area, produced by dehydration, can either form tubular structures (also known as tethers) or be utilized to perform morphological changes of the vesicle, depending on the interfacial tension between the coexisting phases and those between the membrane and the two phases. Membrane tube formation is coupled to the phase separation process. Apparently, the energy released from the phase separation is utilized to overcome the energy barrier for tube formation. The tubes may be absorbed at the interface to form a 2-demensional structure. The membrane stored in the form of tubes can be retracted under small tension perturbation. Furthermore, a wetting transition, which has been reported only in a few experimental systems, was discovered in this system. By increasing the polymer concentration, the PEG-rich phase changed from complete wetting to partial wetting of the membrane. If sufficient excess membrane area is available in the vesicle where both phases wet the membrane, one of the phases will bud off from the vesicle body, which leads to the separation of the two phases. This wetting-induced budding is governed by the surface energy and modulated by the membrane tension. This was demonstrated by micropipette aspiration experiments on vesicles encapsulating two phases. The budding of one phase can significantly decrease the surface energy by decreasing the contact area between the coexisting phases. The elasticity of the membrane allows it to adjust its tension automatically to balance the pulling force exerted by the interfacial tension of the two liquid phases at the three-phase contact line. The budding of the phase enriched with one polymer may be relevant to the selective protein transportation among lumens by means of vesicle in cells.
N2  - In der wässrigen Lösung im Inneren von Riesenvesikeln können sich mehrere, räumlich getrennte Phasen ausbilden. Dieses Phänomen könnte im Zusammenhang stehen mit wichtigen Prozessen innerhalb von Zellen, wie etwa Fraktionierung und Sortieren von Proteinen, oder etwa das sog. “Molecular Crowding”. Wir studieren diesen Prozess am Beispiel von zwei unterschiedlichen Polymeren, Polyethylen Glycol (PEG) und Dextran, innerhalb von Riesenvesikeln. Die Dynamik der Phasentrennung dieser eingeschlossenen Polymerlösung lässt sich untersuchen, indem man die Vesikel einer hypertonischen Lösung aussetzt. Durch die Dehydrierung entsteht dabei überschüssige Membranfläche. Je nach Grenzflächenspannung zwischen den koexistierenden Phasen, sowie zwischen der Membran und den beiden Phasen, wird diese überschüssige Fläche entweder zur Ausbildung röhrchenartiger Strukturen verwendet, oder aber es stellen sich morphologische Veränderungen am Vesikel ein. Die Ausbildung der Membranröhrchen ist offenbar gekoppelt an den Phasentrennungsprozess: Die Energie, die bei Phasentrennung frei wird, dient offenbar dazu, die Energiebarriere der Röhrchenbildung zu überwinden. Die Röhrchen können an der Grenzfläche absorbiert werden und dort eine zweidimensionale Struktur ausbilden. Durch kleine Störungen in der Spannung kann die in Form von Röhrchen gespeicherte Membran wieder in deren Oberfläche zurückgezogen werden. Desweiteren wurde in diesem System ein Benetzungsübergang entdeckt, der bisher nur in wenigen experimentellen Systemen beobachtet werden konnte: Erhöht man die Polymerkonzentration, so geht die PEG-reiche Phase von vollständiger zu unvollständiger Benetzung der Membran über. Steht in einem Vesikel, in dem beide Phasen die Membran benetzen, ausreichend überschüssige Membranfläche zur Verfügung, so wird sich eine Phase aus dem Vesikelkörper herauswölben, was zur Trennung der beiden Phasen führt. Dieser benetzungsinduzierte Auswölbungsprozess wird durch die Oberflächenenergie bestimmt und von der Membranspannung moduliert. Dies konnte experimentell an Vesikeln gezeigt werden, die zwei Phasen beinhalten, indem durch eine Mikropipette ein Unterdruck erzeugt wurde. Die Oberflächenenergie kann durch Auswölbung einer der Phasen signifikant verringert werden, da die Kontaktfläche zwischen den koexistierenden Phasen verkleinert wird. Die Elastizität der Membran erlaubt es, die Spannung automatisch anzupassen, sodass die ziehende Kraft ausgeglichen wird, die durch die Grenzflächenspannung der beiden flüssigen Phasen an der drei-Phasen Kontaktlinie ausgeübt wird. Die Auswölbung einer durch Polymere angereicherten Phase könnte relevant sein für den selektiven Transport von Proteinen mit Vesikeln in der Zelle.
KW  - Membranröhrchen
KW  - Benetzungsübergang
KW  - Knospung
KW  - Vesikel
KW  - Phasentrennung
KW  - membrane tube
KW  - wetting transition
KW  - budding
KW  - vesicle
KW  - phase separation
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29138
ER  -