Integrity and stability of lipid and pure–protein membranes studied by molecular dynamics simulations

Abstract

Biological membranes made from amphiphilic molecules such as lipids, serve as the protective outer shell of cells and form subcellular compartments, while artificial biomimetic membranes play important roles in biotechnological applications. Given the large variability of membrane forming compounds further research is needed to understand how the composition and structure affects the fundamental barrier function of any membrane system. In this thesis we use molecular dynamics simulations to study how this stability is achieved both in pure-protein and lipid membranes. First, we investigate the extremely low water permeability of bilayers made from the fungal protein HFBI. Hereby, the simulations suggest a massive reordering of the proteins upon bilayer formation resulting in extremely tight protein-protein interfaces being responsible for the exceptional stability of HFBI bilayers. Next, we examine how modulations in the lipid composition of complex biological membranes affect their physical properties, focusing mainly on the energetics of pore formation. Our simulations of a large set of biologically relevant membrane systems revealed substantial differences in their respective properties owing to the modulations in their respective lipid fingerprints. Finally, we investigate how HFBI stabilizes pores in DOPC membrane during electroporation.

Biologische Membranen aus amphiphilen Molekülen dienen als schützende äußere Hülle von Zellen und bilden Zellorganelle, während künstliche biomimetische Membranen in biotechnologischen Anwendungen eine wichtige Rolle spielen. Angesichts der großen Variabilität membranbildender Moleküle sind weitere Untersuchungen erforderlich, um zu verstehen wie sich die Zusammensetzung und Struktur auf die grundlegende Barrierefunktion der Membran auswirkt. In dieser Arbeit untersuchen wir mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen, wie diese Stabilität in Protein – und in Lipidmembranen erreicht wird. Zunächst untersuchen wir die extrem geringe Wasserdurchlässigkeit von HFBI-Doppelschichten. Dabei deuten die Simulationen auf eine massive Neuordnung der Proteine bei der Bildung von Doppelschichten hin, was zu extrem dichten Protein-Protein- Grenzflächen führt, die für die enorme Stabilität von HFBI-Doppelschichten verantwortlich sind. Als nächstes untersuchen wir, wie sich Modulationen in der Lipidzusammensetzung komplexer biologischer Membranen auf ihre physikalischen Eigenschaften auswirken, wobei wir einen Fokus auf die Energetik von Porenbildung legen. Unsere Simulationen einer großen Anzahl biologisch relevanter Membransysteme zeigen erhebliche Unterschiede in den jeweiligen Membraneigenschaften, welche durch die Unterschiede ihrer jeweiligen Lipidzusammensetzung erklärt werden können. Zuletzt untersuchen wir, wie HFBI Poren in Membranen während Elektroporation stabilisiert.