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Kritische Strukturveränderungen in Biofilmen und Biomembranen

Nagel, Michael

In dieser Arbeit sind mit verschiedenen physikalisch-chemischen Methoden zwei biologische Systeme auf die Auswirkung von einer extremen Stresssituation untersucht worden. Das Polysaccharid Alginat wird als Modellsystem, um die Auswirkungen einer Trockenperiode auf die extrazellulären polymeren Substanzen zu analysieren, eingeführt. Anschließend wird der Biofilm des Bakteriums Deinococcus geothermalis einer Trockenzeit ausgesetzt und anschließend wieder rehydratisiert. Mit der Methode der gepulsten-Feldgradienten Kernresonanzspektroskopie (PFG-NMR) kann beobachtet werden, dass in der Biofilm-Matrix zwei unterschiedliche Wasserarten mit verschiedenen Selbstdiffusionskoeffizienten vorhanden sind. Durch Elastizitätsmessungen wird die Ausbildung einer Schutzhaut verdeutlich, die die Überlebensstrategie des Biofilms in einer Trockenperiode verdeutlicht. Für eine Zellmembran ist die Integration eines Fremdmoleküls in die Doppelschicht eine extreme Stresssituation. In dieser Arbeit wird das Lipopolysaccharid (LPS) des Bakteriums Escherichia coli in eine Membran bestehend aus dem Phospholipid DMPC eingelagert. Mittels Nanoindentationsversuchen und Festkörper-NMR-Experimenten kann gezeigt werden, dass durch die Einlagerung des LPS die mechanische Stabilität der Zellmembran gestört wird.

In this thesis two biological systems were analyzed for the influence of stress situation with different physical-chemical methods. The polysaccharide alginate is used as a model system to analyze the effects of dehydrations on extracellular polymeric substances. The biofilm of the bacterium Deinococcus geothermalis is first dehydrates and then rehydrated afterwards. Using the pulsed-field gradient nuclear magnetic resonance (PFG-NMR) method showed that two types of water with different self-diffusion coefficients are present in the biofilm matrix. Elasticity measurements indicated the formation of a protective skin which is formed as a survival strategy of the dehydrated biofilm. For a cell membrane the integration of a foreign molecule is an extreme situation. To study this, lipopolysaccharide (LPS) of the bacterium Escherichia coli is inserted into a membrane consisting of phospholipid DMPC. Through nanoindentation and solid-state NMR experiments it can be shown that integration of LPS disturbs the mechanical stability of the cell membrane.

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Nagel, Michael: Kritische Strukturveränderungen in Biofilmen und Biomembranen. 2015.

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