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aktualisiert am 15. Mai 2022

ISBN 9783843904483

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978-3-8439-0448-3, Reihe Biophysik

Michael Andreas Olapinski
Hochfrequenzspektroskopische Untersuchungen an Ionenkanälen in Lipidmembranen und lebenden Zellen

216 Seiten, Dissertation Ludwig-Maximilians-Universität München (2011), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die Natur stellt eine Vielzahl spezialisierter molekularer Bionanosysteme zur Verfügung, die auf hocheffiziente Weise Sensor- und Steuerungsaufgaben übernehmen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich im Kontext der Bionanotechnologie, die sich der Erforschung und technischen Nutzbarmachung biomolekularer Nanosysteme widmet, mit Ansätzen zu deren Detektion oder Manipulation mittels hochfrequenter elektrischer Felder. Hierzu wurden spektroskopische Messtechniken entwickelt und an Ionenkanälen in künstlichen Lipidmembranen und lebenden Zellen erprobt.

Zum einen wurde ein chipbasierter Biosensor zur Hochfrequenztransmissionsspektroskopie an substratgestützten Biomembransystemen entworfen, auf dem ein mikroskopischer koplanarer Wellenleiter und eine Mikrofluidikkammer integriert wurden. Mit dem so definierten Sensor konnte die Bildung einer Lipiddoppelschicht aus kleinen einschaligen Vesikeln auf der Chipoberfläche in der frequenzaufgelösten Hochfrequenztransmission im Gigahertzbereich ebenso nachgewiesen werden wie der Einfluss des Peptidporenbildners Alamethicin auf die zuvor gebildete Membran. Die Messungen demonstrieren eine erstaunlich hohe Sensitivität in

Oberflächennähe und weisen eine gute Übereinstimmung mit Modellberechnungen auf Basis dissipativer dielektrischer Effekte auf.

Zum anderen wurden Messungen des Ionenkanalstroms spannungsabhängiger Ionenkanäle in lebenden Zellen unter Hochfrequenzbeaufschlagung durchgeführt, basierend auf einem planaren Patch-clamp-System kombiniert mit einer an der Zelloberfläche positionierten Koaxialsonde (siehe Titelillustration). In einer ausführlichen Charakterisierung des neuen Messsystems konnte zunächst ein gut kontrollierbarer lokaler volumenthermischer Hochfrequenzeffekt nachgewiesen werden, der sich möglicherweise zur indirekten Beeinflussung temperatursensitiver Moleküle wie TRP-Ionenkanäle einsetzen ließe. Mit Hilfe der Lock-in-Technik bei geeigneter Pulsfrequenz der Hochfrequenzexposition konnte der thermische Einfluss im Messsignal jedoch weitgehend unterdrückt werden. Damit wurden Hochfrequenzspektroskopiemessungen des Ionenkanalstroms an einwärts gleichrichtenden (Kir2.1) und spannungsgesteuerten (KCa1.1) Ionenkanälen sowohl bei hohen Ionenkanalströmen als auch im nichtlinearen Bereich der I-V-Kennlinie durchgeführt. Hierbei konnten im Rahmen der erreichten Messgenauigkeit von etwa 0.02 pA und im untersuchten Frequenzbereich von 8-33 GHz keine nichtthermischen Einflüsse nachgewiesen werden.