Microfluidic platform to study the model cell membranes: Biophysical properties and organelle interactions of lipid droplets

Abstract

This thesis presents an in vitro study to investigate model cell membranes, with a focus on biophysical properties of lipid droplets (LDs) and their protein-mediated interactions using a microfluidic platform. Using fluorescence-based optical techniques and interfacial tension measurements, it has been investigated how lipid composition affects LD surface behavior. Variations in lipid geometry and packing were found to influence diffusion rates and membrane tension, revealing how LD surface properties can be tuned by composition. The role of perilipin-2 (PLIN2) was examined by embedding PLIN2-decorated LDs into free-standing bilayers. These LDs adopted a characteristic flattened shape, indicating locally altered interfacial tension, while lipid mobility remained largely unchanged. Nevertheless, PLIN2 facilitated lipid exchange across the LD-bilayer boundary, suggesting a functional role in regulating interfacial permeability. Additionally, contact formation between LDs and model organelles was investigated using large unilamellar vesicles (LUVs). It was found that perilipin-5 (PLIN5) promotes stable protein tethering and reduces lipid exchange at these interfaces, mimicking LD-organelle interactions. Altogether, this work demonstrates how microfluidic systems can be used to reconstitute and analyze the LD structure and function under controlled conditions, thereby offering new possibilities for studying lipid biology and organelle communication.

Diese Dissertation präsentiert mikrofluidische In-vitro-Studien zu Modellzellmembranen, mit einem Schwerpunkt auf den biophysikalischen Eigenschaften von Lipidtröpfchen (LDs) und deren proteinvermittelten Interaktionen. Mittels fluoreszenzbasierter optischer Methoden und Messungen der Grenzflächenspannung wurde untersucht, wie die Lipidzusammensetzung einer LD-Membran die Diffusionsraten und die Membranspannung beeinflusst. Außerdem wurde der Einfluß von Perilipin-2 (PLIN2) auf die in eine Lipid-Doppelschicht inserierte LDs untersucht. Diese LDs nahmen eine charakteristisch abgeflachte Form an, was auf eine lokal veränderte Grenzflächenspannung hinweist, während die Lipidmobilität weitgehend unverändert blieb. Dennoch erleichterte PLIN2 den Lipidaustausch über die Grenze zwischen LD. Zusätzlich wurde die Ausbildung von Kontaktstellen zwischen LDs und Modellorganellen mithilfe großer unilamellarer Vesikel (LUVs) untersucht. Es zeigte sich, dass Perilipin-5 (PLIN5) die stabile Bildung von Protein Tether fördert und von lipidischen Brücken erschwert und damit LD-Organellen-Interaktionen nachbildet. Insgesamt demonstriert diese Arbeit, wie mikrofluidische Systeme genutzt werden können, um die Struktur und Funktion von LDs unter kontrollierten Bedingungen nachzubilden und zu analysieren und eröffnet damit neue Möglichkeiten zur Untersuchung der Lipidbiologie und der Organellenkommunikation.