Promotionsvortrag von Sara Carina Fedosejevs
- Verteidigung
On the optical detection of the physical state of excitable membranes
Phasenübergänge in biologischen Systemen sind Gegenstand zahlreicher Diskussion. Als Ursprung von Nichtlinearitäten werden sie für zelluläre Funktionen einschließlich der Ausbreitung von Nervenimpulsen verantwortlich gemacht. In reinen Lipidmembranen werden charakteristische Funktionen, wie Permeabilität, während eines Phasenübergangs moduliert. Diese Zusammenhänge könnten drastische Auswirkungen auf Zellen haben, da ihre Membranen lipidbasiert sind. Ein Nachweis für Phasenübergänge in Zellmembranen erregbarer Zellen - die an der Weiterleitung von Nervenimpulsen beteiligt sind - wurde bisher jedoch nicht erbracht. In dieser Arbeit wird ein optischer Ansatz zur Charakterisierung thermodynamischer Phasenzustände in lipidbasierten Grenzflächen angewandt. Er basiert auf der Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen als lokale Reporter für Phasenzustände. Optische Zustandsdiagramme von Lipidgrenzflächen werden aufgenommen und zustandsabhängige Kinetiken innerhalb der Lipidmembranen untersucht. Die Anwendung dieser Methodik auf einzelne neuronale Zellen zeigt eine charakteristische Nichtlinearität in der optischen Antwort des Farbstoffs (Atto488-DPPE), der auf Grundlage der Charakterisierung von Lipidmembranen als Phasenumwandlung identifiziert wird. Diese Übergänge sind außergewöhnlich scharf (1°C) und sind sensitiv auf Änderungen im pH. Der hier erbrachte Nachweis der hochgradigen Nichtlinearität liefert die Grundlage dafür, dass der Membranzustand für die Erregbarkeit und Weiterleitung von Nervenimpulsen entscheidend sein kann.