Self-Assembly in Lipid-Protein Systems : Lung Surfactant, Stratum Corneum and Model Membranes

Abstract

This thesis explores lipid self-assembly and aims to give a broad picture of self-assembly structures in simple and complex lipid-protein systems. The systems studied are lung surfactant, stratum corneum and simple model membranes. The lung surfactant mixture lines the alveolus in our lungs and stabilises the air- tissue interface. The lung surfactant lipid phase behaviour was here investigated with respect to the effects of cholesterol concentration and changes in the external conditions of temperature and a water gradient. Taken together the studies of lung surfactant give a comprehensive picture of the phase behaviour of a clinical lung surfactant extract, showing the importance of cholesterol and non-equilibrium conditions. It is a recurrent observation for all studies that the addition of physiologically relevant levels of cholesterol to the clinical lung surfactant forms a single robust liquid ordered phase under both equilibrium and non- equilibrium conditions.
Conditions such as draught, high salinity or freezing, exerts the lipid systems to osmotic stress, which can lead to phase changes between different self-assembled structures. The outer layer of the skin, the stratum corneum is most of the time exposed to osmotic stress from dry air in the environment. The stratum corneum contains small polar molecules, to counteract phase changes due to osmotic stress. We study how the self-assembly in stratum corneum and model membranes are affected by the presence of osmolytes under conditions of osmotic stress. It is shown that these compounds under dry conditions act to replace the water in both stratum corneum and model membranes and they may stabilize the fluid lipid phases at lower humidities.
In plants, there are several strategies for protection against osmotic stress. One strategy involves the expression of specific proteins. We have studied how one such protein from the family of dehydrins, influences lipid self-assembly, aiming at molecular understanding of how these proteins can protect membranes against osmotic stress. The dehydrin protein, Lti30, is shown to stabilise the liquid crystalline lamellar phases over a large range of hydration conditions, preventing phase transitions at low water contents, and extensive swelling of the lamellar phase at high water contents.

Abstract (Swedish)

Den yttersta barriären mellan luften och blodomloppet i våra lungor består av en lipid-protein film. Denna lipid-protein blandning kallas för lungsurfaktant. Filmen bestående av lungsurfaktant stabiliserar alveolerna i våra lungor och gör att vi kan andas utan motstånd. Brist av lungsurfaktant kan orsaka svåra sjukdomar, till exempel hos förtidigt födda barn som ännu inte hunnit bilda tillräckligt med lungsurfaktant för att forma en stabil film. En akut lösning är att ersätta den saknade filmen med en formulering av lungsurfaktant som ofta är ett biologiskt extrakt av lungsurfaktant från djur. Dessa extrakt saknar dock några av de beståndsdelar man hittar i den kroppsegna lungsurfaktanten. Några öppna frågor rörande lungsurfaktanter är hur denna film faktiskt ser ut vid luft-vatten gränsytan i lungan och hur dess olika beståndsdelar påverkar dess struktur. Lipider är molekyler som har en del som gillar vatten och en del som gillar fett. Detta gör att när de befinner sig i vatten så kommer de att gå ihop och bilda strukturer som minskar kontakten av den feta delen med vattnet. Det finns många olika sorters lipider som kan bilda olika strukturer i vatten. Så beroende på vilka lipider som filmen i lungan består av så kommer strukturen att se olika ut. Ett mål i den här avhandlingen har varit att ta reda på hur olika lipid komponenter av lipid-protein filmen i lungan påverkar den struktur som bildas och hur den faktiskt ser ut vid luft-vatten gränsytan där den befinner sig i kroppen. Vi har också undersökt hur yttre omständigheter påverkar strukturen, så som temperatur eller torr luft. Yttre förhållanden så som torka kan utsätta lipid- barriärer för stress, vilket kan få dem att ändra sin struktur till en som har mindre gynnsamma egenskaper för den funktion de är avsedda för.

Yttersta lagret av huden, stratum corneum, består även den av lipider och proteiner som utgör vår kropps största barriär mot omgivningen. Huden innehåller också små polära molekyler, så kallade osmolyter, för att skydda denna barriär mot torka, vilket kan göra huden bräcklig. För att förstå mekanismen bakom hur dessa osmolyter skyddar huden mot torka har vi undersökt hur dessa små molekyler påverkar lipider och proteiner i stratum corneum vid olika fuktighetsförhållanden. Osmolyter återfinns även i andra organismer och växter för att skydda dessa mot uttorkning och kyla. I växtriket finns även andra mer komplicerade strategier som involverar specifika proteiner för att skydda växterna mot extrema väderförhållanden. Vi har studerat hur ett sådant protein, från familjen dehydriner, påverkar modelmembran designade för att likna strukturer relevanta för växter, och vi har jämfört effekterna av dehydrin proteinet med hur osmolyter påverkar dessa membran för att få en bättre bild av olika skyddsmekanismers roll i naturen.

Tillsammmans ger dessa studier en bred bild över strukturer i olika lipid-protein system och hur dessa påverkas av sammansättningen och hur övergång mellan olika strukturer i reaktion på yttre stress kan förhindras i dessa system.

• author: Andersson, Jenny
• supervisor: Emma Sparr; Tommy Nylander
• opponent: Professor Edwards, Katarina, Department of Chemistry – BMC, Uppsala University, Sweden
• organization: Physical Chemistry
• publishing date: 2018-01
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Natural Sciences; Physical Chemistry
• keywords: Lipid self-assembly, lung surfactant, stratum corneum, dehydrin, cholesterol, osmolytes, urea, TMAO, ssNMR, cSAXS
• pages: 179 pages
• defense location: Lecture hall B, Center for chemistry and chemical engineering, Naturvetarvägen 14, Lund
• defense date: 2018-02-09 13:00:00
• ISBN: 978-91-7422-563-1
• ISBN: 978-91-7422-564-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c165cdae-7119-4286-aafb-ce35b3f8a58f
• date added to LUP: 2018-01-15 09:50:59
• date last changed: 2018-11-21 21:37:20