Christopher K. Haluska

• Die Fusion von Membranen ist ein entscheidender Prozeß bei der Entwicklung von Zellen im Körper. Beispielsweise ist sie eine der Voraussetzungen bei der Befruchtung einer Eizelle durch ein Spermium oder für das Eindringen von Viren in eine Zelle. Membranfusion ist auch notwendig für den Stofftransport in die Zelle hinein oder aus ihr heraus. Die Membranfusion ist daher auch von praktischen Interesse auf den Gebieten der Pharmazeutik und des 'Bioengineering'. Oft muss eine Membran mit der infiziertin Zelle fusionieren, um ein Medikament an sein Zeil zu bringen. Deshalb ist ein Verständnis der Membranfusion von großem Interesse für die Entwicklung von gezielten und effizienten Methoden des 'drug delivery'. Dasselbe gilt für die gezielte Zufuhr von Genen bei der Gentherapie. Obwohl die Membranfusion schon vor nahezu 200 Jahren von dem deutschen Biologen und Mediziner Johannes Müller beobachtet wurde, liegt ein vollständiges Verständnis des Fusionsprozesses von Zellen und (Modell-) Membranen auch heute noch in weiter Ferne. Allerdings hatDie Fusion von Membranen ist ein entscheidender Prozeß bei der Entwicklung von Zellen im Körper. Beispielsweise ist sie eine der Voraussetzungen bei der Befruchtung einer Eizelle durch ein Spermium oder für das Eindringen von Viren in eine Zelle. Membranfusion ist auch notwendig für den Stofftransport in die Zelle hinein oder aus ihr heraus. Die Membranfusion ist daher auch von praktischen Interesse auf den Gebieten der Pharmazeutik und des 'Bioengineering'. Oft muss eine Membran mit der infiziertin Zelle fusionieren, um ein Medikament an sein Zeil zu bringen. Deshalb ist ein Verständnis der Membranfusion von großem Interesse für die Entwicklung von gezielten und effizienten Methoden des 'drug delivery'. Dasselbe gilt für die gezielte Zufuhr von Genen bei der Gentherapie. Obwohl die Membranfusion schon vor nahezu 200 Jahren von dem deutschen Biologen und Mediziner Johannes Müller beobachtet wurde, liegt ein vollständiges Verständnis des Fusionsprozesses von Zellen und (Modell-) Membranen auch heute noch in weiter Ferne. Allerdings hat im letzten Jahrzehnt das Interesse für dieses Forschungsgebiet stark zugenommen. Wissenschaftler der unterschiedlichsten Disziplinen arbeiten daran, die Mechanismen der Membranfusion aufzudecken. Biologen untersuchen Proteine, die die Fusion auslösen, Chemiker entwickeln Moleküle, die die Fusion erleichtern, und Physiker versuchen die Antriebsmechanismen der Membranfusion zu verstehen. Neue Mikroskopietechniken und die hohe Rechenleistung moderner Computer helfen die molekulare und die makroskopische Welt der Membranfusion in einem Bild zusammenzufügen. Für unsere Untersuchungen haben wir Modellmembranen, die aus Lipiddoppelschichten bestehen, benutzt. Diese Membranen formen sogenannte Vesikel oder Liposomen, abgeschlossene Membrane, in denen eine bestimmte Menge an Flüssigkeit enthalten ist. Indem wir Rezeptoren in die Membran einbringen, schaffen wir funkionalisierte Vesikel, die sich differenzieren, kooperieren und selektiv reagieren können. Wir benutzen positiv geladene wasserlösliche Ionen, um Wechselwirkungen zwischen den Vesikeln zu vermitteln, und lassen die Rezeptoren und die Ionen den Fusionsprozess auslösen. Die Wechselwirkungen werden unter dem Mikroskop durch spezielle Mikromechanischn Gerätz Mikromechinerien kontrolliert. Mit Hilfe einer sehr schnellen digitale Bildaufnahmetechnik ist es uns gelungen, die Fusion unserer Modellmembranen aufzunehmen und in Echtzeit zu dokumentieren mit einer Auflösung von 50 µs. Unsere Messungen können vergleichen werden mit Computersimulationen des Fusionsprozesses. Diese Simulationen untersuchen Prozesse, die zwischen 0.1 und 1 Mikrosekunde dauern. Eine Herausforderung für die Zukunft wird es sein, die Lücke zwischen den in Experimenten (50µs) und den in Simulationen zugänglichen Zeitskalen von beiden Seiten her zu schließen.…
• We incorporate amphiphilic receptors bearing ß-diketone functional units into large (LUV's) and giant unilamellar vesicles (GUV's). Electrolyte solutions containing di- and trivalent ions were used to induce inter-membrane interactions. Measurements performed with isothermal titration calorimetry (ITC) revealed that interaction between EuCl3 and ß-diketone receptors was characterized by a molar enthalpy 126 ± 5 kcal/mole and an equilibrium binding constant 26 ± 4 mM-1. The results indicate a molecular complex formed binding two ß-diketone receptors to one Eu3+ ion. Dynamic light scattering (DLS) was used to follow changes in LUV diameter indicated in an increase in vesicle size distribution of on average 20 %. Optical microscopy was employed to visualize the inter-membrane interaction measured using DLS and ITC. Depending on membrane composition of the functionalized vesicles we found that local injections of micromolar EuCl¬3 induced membrane pore formation and membrane fusion. Our collection of results leads to the conclusion thatWe incorporate amphiphilic receptors bearing ß-diketone functional units into large (LUV's) and giant unilamellar vesicles (GUV's). Electrolyte solutions containing di- and trivalent ions were used to induce inter-membrane interactions. Measurements performed with isothermal titration calorimetry (ITC) revealed that interaction between EuCl3 and ß-diketone receptors was characterized by a molar enthalpy 126 ± 5 kcal/mole and an equilibrium binding constant 26 ± 4 mM-1. The results indicate a molecular complex formed binding two ß-diketone receptors to one Eu3+ ion. Dynamic light scattering (DLS) was used to follow changes in LUV diameter indicated in an increase in vesicle size distribution of on average 20 %. Optical microscopy was employed to visualize the inter-membrane interaction measured using DLS and ITC. Depending on membrane composition of the functionalized vesicles we found that local injections of micromolar EuCl¬3 induced membrane pore formation and membrane fusion. Our collection of results leads to the conclusion that formation of intra-molecular ligand receptor complexes leads to pore formation and inter-membrane complex formation leads to membrane fusion. Detailed characterization of the fusion process shows that irreversible opening of the fusion pore can be extrapolated to times below 50 µsec. We have found that formation of membrane bound ligand (Eu3+)-receptor complexes provides versatility to the function of vesicle membranes.…