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Membrane adhesion mediated via lipid-anchored saccharides

Membranadhäsion durch Lipid-verankerte Saccharide

  • Membrane adhesion is a fundamental biological process in which membranes are attached to neighboring membranes or surfaces. Membrane adhesion emerges from a complex interplay between the binding of membrane-anchored receptors/ligands and the membrane properties. In this work, we study membrane adhesion mediated by lipid-anchored saccharides using microsecond-long full-atomistic molecular dynamics simulations. Motivated by neutron scattering experiments on membrane adhesion via lipid-anchored saccharides, we investigate the role of LeX, Lac1, and Lac2 saccharides and membrane fluctuations in membrane adhesion. We study the binding of saccharides in three different systems: for saccharides in water, for saccharides anchored to essentially planar membranes at fixed separations, and for saccharides anchored to apposing fluctuating membranes. Our simulations of two saccharides in water indicate that the saccharides engage in weak interactions to form dimers. We find that the binding occurs in a continuum of bound states instead of aMembrane adhesion is a fundamental biological process in which membranes are attached to neighboring membranes or surfaces. Membrane adhesion emerges from a complex interplay between the binding of membrane-anchored receptors/ligands and the membrane properties. In this work, we study membrane adhesion mediated by lipid-anchored saccharides using microsecond-long full-atomistic molecular dynamics simulations. Motivated by neutron scattering experiments on membrane adhesion via lipid-anchored saccharides, we investigate the role of LeX, Lac1, and Lac2 saccharides and membrane fluctuations in membrane adhesion. We study the binding of saccharides in three different systems: for saccharides in water, for saccharides anchored to essentially planar membranes at fixed separations, and for saccharides anchored to apposing fluctuating membranes. Our simulations of two saccharides in water indicate that the saccharides engage in weak interactions to form dimers. We find that the binding occurs in a continuum of bound states instead of a certain number of well-defined bound structures, which we term as "diffuse binding". The binding of saccharides anchored to essentially planar membranes strongly depends on separation of the membranes, which is fixed in our simulation system. We show that the binding constants for trans-interactions of two lipid-anchored saccharides monotonically decrease with increasing separation. Saccharides anchored to the same membrane leaflet engage in cis-interactions with binding constants comparable to the trans-binding constants at the smallest membrane separations. The interplay of cis- and trans-binding can be investigated in simulation systems with many lipid-anchored saccharides. For Lac2, our simulation results indicate a positive cooperativity of trans- and cis-binding. In this cooperative binding the trans-binding constant is enhanced by the cis-interactions. For LeX, in contrast, we observe no cooperativity between trans- and cis-binding. In addition, we determine the forces generated by trans-binding of lipid-anchored saccharides in planar membranes from the binding-induced deviations of the lipid-anchors. We find that the forces acting on trans-bound saccharides increase with increasing membrane separation to values of the order of 10 pN. The binding of saccharides anchored to the fluctuating membranes results from an interplay between the binding properties of the lipid-anchored saccharides and membrane fluctuations. Our simulations, which have the same average separation of the membranes as obtained from the neutron scattering experiments, yield a binding constant larger than in planar membranes with the same separation. This result demonstrates that membrane fluctuations play an important role at average membrane separations which are seemingly too large for effective binding. We further show that the probability distribution of the local separation can be well approximated by a Gaussian distribution. We calculate the relative membrane roughness and show that our results are in good agreement with the roughness values reported from the neutron scattering experiments.show moreshow less
  • Membranadhäsion ist ein fundamentaler biologischer Prozess, bei dem Membranen sich an benachbarte Membranen oder Oberfläche anheften. Membranadhäsion entstammt einem komplexen Zusammenspiel aus Bindungen zwischen Membranverankerten Rezeptor/Ligand-Bindungen und den Membraneigenschaften selbst. In dieser Arbeit untersuchen wir Membranadhäsion vermittelt durch Lipid-verankerte Saccharide mittels Mikrosekunden-langer voll-atomistischer molekular-dynamischer Simulationen. Motiviert durch Neutronen Scattering Experimente von Lipid-verankerten Sacchariden und deren Einfluss auf Membranadhäsion, untersuchen wir die Rolle der Saccharide LeX, Lac1 und Lac2 sowie der Membranfluktuationen in Membranadhäsion. Wir untersuchen die Bindungen der Saccharide in drei verschiedenen Systemen: In Wasser, verankert in quasi-ebenflächigen Membranen bei fixierten Abständen, und verankert in aneinanderliegenden, fluktuierenden Membranen. Unsere Simulationen von zwei Sacchariden in Wasser deuten darauf hin, dass diese Saccharide durch schwache InteraktionenMembranadhäsion ist ein fundamentaler biologischer Prozess, bei dem Membranen sich an benachbarte Membranen oder Oberfläche anheften. Membranadhäsion entstammt einem komplexen Zusammenspiel aus Bindungen zwischen Membranverankerten Rezeptor/Ligand-Bindungen und den Membraneigenschaften selbst. In dieser Arbeit untersuchen wir Membranadhäsion vermittelt durch Lipid-verankerte Saccharide mittels Mikrosekunden-langer voll-atomistischer molekular-dynamischer Simulationen. Motiviert durch Neutronen Scattering Experimente von Lipid-verankerten Sacchariden und deren Einfluss auf Membranadhäsion, untersuchen wir die Rolle der Saccharide LeX, Lac1 und Lac2 sowie der Membranfluktuationen in Membranadhäsion. Wir untersuchen die Bindungen der Saccharide in drei verschiedenen Systemen: In Wasser, verankert in quasi-ebenflächigen Membranen bei fixierten Abständen, und verankert in aneinanderliegenden, fluktuierenden Membranen. Unsere Simulationen von zwei Sacchariden in Wasser deuten darauf hin, dass diese Saccharide durch schwache Interaktionen Dimere formen. Anstelle einiger klar definierter Bindungsstrukturen, finden wir ein Kontinuum von gebundenen Zuständen vor, das wir als "diffuse Bindung" bezeichnen. Die Bindungen von Sacchariden in quasi-ebenflächigen Membranen hängt stark vom Abstand zwischen diesen Membranen ab, der in unserem System fest gewählt ist. Wir zeigen, dass die Bundungskonstanten für trans-Interaktionen zweier Lipid-verankerter Saccharide monoton abnimmt mit zunehmendem Abstand. Saccharide verankert auf der selben Membran wechselwirken in cis-Interaktionen, deren Bindungskonstanten denen der trans-Interaktionen bei dem kleinsten gewählten Membranabstand ähneln. Das Zusammenspiel der cis- und trans-Interaktionen kann in Simulationssystemen mit vielen Lipid-verankerten Sacchariden untersucht werden. Für Lac2 deuten unsere Simulationen auf eine Kooperativität zwischen cis- und trans-Interaktionen hin: In diesem kooperativen Bindungsprozess verstärkt die cis-Interkation die trans-Bindunskonstante. Für LeX hingegen stellen wir keine Kooperativität zwischen trans- und cis-Bindung fest. Zusätzlich bestimmen wir die generierten Kräfte, die durch trans-gebundene Lipid-verankerte Saccharide in ebenflächigen Membranen und die resultierende Ablenkung der Lipid-Anker hervorgerufen werden. Wir stellen fest, dass mit gesteigertem Abstand zwischen den Membranen, die auf trans-gebundene Saccharide wirkenden Kräfte auf bis zu 10 pN ansteigen. Die Bindungen von Sacchariden, die in fluktuierenden Membranen verankert sind, resultieren aus einem Zusammenspiel zwischen den Eigenschaften dieser Lipid-verankerten Saccharide und den Membranfluktuationen. Unsere Simulationen, die den Membranabstand aufweisen, der auch in den Neutron Scattering Experimenten ermittelt wurde, resultieren in einer Bindungskonstante, die größer ist als jene in quasi-ebenflächigen Membranen bei dem gleichen Abstand. Dieses Ergebnis demonstriert, dass Membranfluktuationen eine wichtige Rolle spielen bei mittleren Membranabstünden, die sonst scheinbar zu groß sind für effektive Bindungsprozesse. Weiterhin zeigen wir, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung der lokalen Abstünde gut durch eine Gauss-Verteilung approximiert werden kann. Wir berechnen die relative Membranrauigkeit und zeigen, dass unsere Ergebnisse gut mit denen der Neutron Scattering Experimente vereinbar sind.show moreshow less

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Metadaten
Author:Batuhan KavORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428790
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-42879
Referee:Thomas WeiklORCiDGND, Emanuel SchneckORCiDGND, Andreas JanshoffORCiDGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first Publication:2019/05/13
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/05/03
Release Date:2019/05/13
Tag:Lipidmembran; Membran-Adhäsionskräfte; Membranadhäsion; Molekulardynamik; lipid-verankerte Saccharide
lipid membranes; lipid-anchored saccharide; membrane adhesion; membrane adhesion forces; molecular dynamics
Pagenumber:125
RVK - Regensburg Classification:UP 7500, WE 5300
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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