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Phase separation in giant vesicles

Phasentrennung in Riesenvesikeln

  • 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 theGiant 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.show moreshow less
  • 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,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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Yanhong Li
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-29138
Advisor:Reinhard Lipowsky
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2008
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2009/02/16
Release Date:2009/03/17
Tag:Benetzungsübergang; Knospung; Membranröhrchen; Phasentrennung; Vesikel
budding; membrane tube; phase separation; vesicle; wetting transition
RVK - Regensburg Classification:UV 1080
RVK - Regensburg Classification:UV 7000
RVK - Regensburg Classification:WD 2000
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
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