Struktur und Entstehung von Komplexen aus kationischen Lipiden und DNS

Die Struktur und der Entstehungsprozess multilamellarer Komplexe aus kationischen Lipidvesikeln und DNS wurde mit Hilfe der Cryo-Transmissionselektronenmikroskopie (Cryo-TEM) und der energiedispersiven Röntgenreflektometrie untersucht. Mehrere Schritte der Komplexbildung wurden identifiziert. Hierzu gehören die Adsorption und Fusion von Vesikeln und ein Vorgang, bei dem ein adsorbiertes Vesikel aufbricht und seine Lipidschicht auf der Substratoberfläche abrollt. Als Schlussfolgerung aus den Cryo-TEM-Untersuchungen wird ein aus diesen Schritten zusammengefügter Mechanismus vorgeschlagen, demzufolge die Komplexbildung zwei miteinander verknüpften Pfaden folgt. Die Entstehung des multilamellaren Komplexes ist nach diesem Mechanismus ein sequentieller Prozess, bei dem ausgehend von einem einzelnen Substratvesikel eine Schicht nach der anderen absorbiert. Die röntgenreflektometrischen Messungen bestätigen und ergänzen die Schlussfolgerungen aus den Cryo-TEM-Untersuchungen. Die Multilamellen entstehen in drei Schritten: ein Vesikel kommt durch Kollision in Kontakt mit dem Substrat; das Vesikel adsorbiert und verformt sich dabei; es bricht auf und rollt seine Lipiddoppelschicht über das Substrat. Weitere Schichten adsorbieren auf gleiche Weise. Dabei übernimmt die DNS die Rolle eines molekularen Klebstoffs. Die DNS-Adsorption kann mit einem Diffusionsmodell, die Lamellenbildung mit einem irreversiblen Multischicht-Adsorptionsmodell beschrieben werden. Schließlich wurde auch die Rolle der Ionen im Medium betrachtet. Überraschenderweise wurde gefunden, dass die EDTA-Konzentration einen wesentlichen Einfluss auf die Komplexbildung hat. Cryo-transmission electron microscopy (cryo-TEM) and energy dispersive x-ray reflectometry have been used to study the structure and the mechanism of formation of multilamellar complexes of cationic lipid vesicles and DNA. It was found that complexes form in distinct steps. These include the adsorption and fusion of vesicles as well as a process in which an adsorbed vesicle breaks open an rolls out its bilayer on the substrate surface. A mechanism for complex formation is proposed in which complex formation follows two interconnected paths. According to this mechanism, complex formation is a sequential process: stating from a single vesicle, one layer adsorbs after another. The results of x-ray reflectometry support and supplement our conclusions from cryo-TEM. The complex develops in three steps: a vesicle comes in contact with the substrate by collision; the vesicle adsorbs and deforms; it breaks open and rolls out its bilayer on the substrate. Further layers form the same way. DNA acts as a molecular glue. The DNA adsorption can be explained using a diffusion model. To describe the formation of the lamellae, a irreversible multilayer adsorption model was applied. Finally the effect of bulk ions on the complex formation was studied. Surprisingly, the concentration of EDTA in the solution greatly affected complex formation.