Molecular structure and crystallization of long n-alcanes in lipid membranes

Abstract

The interactions between purely hydrophobic molecules and lipid membranes are integral to a number of biophysical problems such as the formation of lipid droplets or the delivery of hydrophobic drugs by lipid nanoparticles. In order to better understand the fundamental behaviour of hydrophobic chains in lipid membranes, a model system consisting of linear n-alkanes and different phospholipid bilayers is investigated. n-Alkane lengths range from 10 to 30 carbons. Particular focus is placed on the effect of chain length on mixing behaviour, molecular arrangement and crystallizability of n-alkanes inside the membranes. Using a combination of different solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) techniques, molecular dynamics (MD) simulations, X-ray scattering, differential scanning calorimetry (DSC), and cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM), the model systems are described with a high level of molecular detail.

Die Wechselwirkungen zwischen hydrophoben Molekülen und Zellmembranen spielen eine zentrale Rolle in verschiedenen biophysikalischen Prozessen, wie z.B. der Bildung von Lipidtröpfen oder dem Transport von hydrophoben Wirkstoffen mithilfe von Lipid-Nanopartikeln. Diese Arbeit untersucht das Verhalten langkettiger, hydrophober Moleküle in Lipidmembranen anhand eines Modellsystems bestehend aus linearen n-Alkanen und verschiedenen Phospholipiden. Die gewählten n-Alkane haben Kettenlängen von 10 bis 30 Kohlenstoffatomen. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Auswirkung von Kettenlänge auf das Mischungsverhalten, die molekulare Struktur und die Kristallisation von n-Alkanen in Lipid-Doppelschichten. Durch die Kombination verschiedener Methoden der Festkörper-Kernmagnetresonanzspektroskopie mit Molekulardynamik- Simulationen, Röntgenstreuung und Kalorimetrie werden die untersuchten Systeme ausführlich charakterisiert.