The composition of phospholipid model bacterial membranes determines their endurance to secretory phospholipase A2 attack : the role of cardiolipin

Soil bacteria are decomposer organisms crucial for the biodegradation of organic pollutants, mineralization of dead organic matter and the turnover of biogenic elements. In their environment they are constantly exposed to membrane-lytic enzymes emitted to the soil by other microorganisms competing for the same niche. Therefore, the composition and structure of their membranes is of utmost importance for survival in the harsh environment. Although soil bacteria species can be Gram-negative or Gram-positive and their membranes differ significantly, they are formed by phospholipids belonging mainly to three classes: phosphatidylethanolamines (PE), phosphatidylglycerols (PG) and cardiolipins (CL). The correlation of the membrane phospholipid composition and its susceptibility to secretory membrane-lytic enzymes is widely unknown; thus, to shed light on these phenomena we applied the Langmuir monolayer technique to construct models of soil bacteria membranes differing in the mutual proportion of the main phospholipids. To characterize the systems we studied their elasticity, mesoscopic texture, 2D crystalline structure and discussed the thermodynamics of the interactions between their components. The model membranes were exposed to secretory phospholipase A2. It turned out that in spite of the structural similarities the model membranes differed significantly in their susceptibility to s-PLA2 attack. The membranes devoid of cardiolipin were completely degraded, whereas, these containing cardiolipin were much more resistant to the enzymatic hydrolysis. It also turned out that the sole presence of cardiolipin in the model membrane did not guarantee the membrane durability and that the interplay between cardiolipin and the zwitterionic phosphatidylethanolamine was here of crucial importance

Studies of the influence of selected heavy metals on self-organization of bacterial phospholipids

Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu wybranych metali ciężkich na właściwości fizyczne monowarstw Langmuira utworzonych przez kardiolipinę, stosowanych jako modele błon bakteryjnych. W pracy wykorzystano następujące metale: Ca2+, Mg2+, Sr2+, Ba2+, Zn2+, Cd2+, Cs+, Ga3+, La3+. Badania zostały przeprowadzone w obecności fizjologicznego stężenia (0,15 M) NaCl. W części literaturowej skupiono się na sposobach usuwania metali ciężkich ze środowiska, krótko scharakteryzowano organizmy glebowe. Przedstawiono budowę błony biologicznej, jej przykładowe modele, w tym technikę monowarstw Langmuira. Przeprowadzone badania dowiodły oddziaływania metali na właściwości fizyczne błony bakteryjnej. Wykazano, że obecność fizjologicznego stężenia (0,15 M) NaCl w subfazie zaburza uporządkowanie cząsteczek kardiolipiny w monowarstwie. Wapń, ze względu na silne oddziaływanie z kardiolipiną, silnie kondensuje monowarstwę. Spośród przebadanych dwuwartościowych metali ciężkich, kadm wywiera podobne efekty jak wapń na uporządkowanie TMCL. Jednakże największy efekt kondensujący obserwuje się dla metali trójwartościowych. Wizualizacja przy pomocy mikroskopii kąta Brewstera pozwoliła wykazać, że badane metale zmieniają teksturę monowarstw. Natomiast obliczony moduł ściśliwości pozwolił w bardziej ilościowy sposób opisać efekty związane z kondensacją, czy też rozprężaniem się monowarstw.The main objective of this BA thesis was to test the influence of selected heavy metals on the physical properties of cardiolipin Langmuir monolayers used as model bacterial membranes. The following metals were applied: Ca2+, Mg2+, Sr2+, Ba2+, Zn2+, Cd2+, Cs+, Ga3+ and La3+. The experiments were performed in the presence of a physiological concentration of NaCl (0.15 M). In the BA thesis the techniques of removing heavy metals from the environment, brief characterization of soil organisms are covered. Next, the structure of the biological membrane is outlined, and the membrane models utilized in science are referred. The results confirm the influence of heavy metals on the physical properties of the bacterial membrane. What is more, the presence of the physiological concentration of NaCl (0,15 M) in subphase distorts the organization of the cardiolipin molecules in the monolayer. Due to its strong interaction with cardiolipin, calcium substantially condensates the monolayer. Cadmium produces similar effects to calcium on the TMCL. The most substantial condensing effect was observed for the trivalent metals and a change in texture for all the used metals was observed through the visualization of the monolayer using Brewster angle microscopy. The calculated modules of compressibility allowed to more quantitatively characterize the condensation or expansion effects

Investigation of the interactions of phospholipase A2 with model membranes of soil bacteria and fungi - studies of the influence of membrane composition and presence of persistent organic pollutants on enzyme activity

Trwałe zanieczyszczenia organiczne (TZO) akumulujące się w glebie stanowią znaczne zagrożenie dla bakterii i grzybów glebowych, jako że wbudowując się do błon komórkowych mogą zwiększać ich podatność na aktywność wydzielniczych enzymów znajdujących się w glebie. Celem niniejszej rozprawy było zastosowanie fosfolipidowych monowarstw Langmuira jako modeli błon destruentów glebowych i przebadanie jak skład błony oraz obecność w niej TZO wpływają na jej odporność na działanie fosfolipazy A2 (PLA2). W części literaturowej rozprawy zreferowano aktualną wiedzę dotyczącą budowy błon komórkowych, sposobów modelowania membran i zjawisk w nich zachodzących oraz omówiono zalety i wady zastosowania monowarstw Langmuira jako modeli biomembran. W części eksperymentalnej omówiono wszystkie rutynowe procedury eksperymentalne oraz scharakteryzowano zastosowane instrumenty badawcze. Przeprowadzone badania wykazały, że monowarstwy wieloskładnikowe symulujące błony bakteryjne są bardziej odporne na działanie PLA2 niż jednoskładnikowe warstwy fosfolipidowe. Okazało się, że szczególnie odporne są membrany z dużym udziałem kardiolipiny, a w szczególności te zawierające jednocześnie kardiolipinę i fosfatydyloetanoloaminę. Obecność TZO w modelowych błonach zwiększała ich podatność na aktywność PLA2, przy czym wpływ tych zanieczyszczeń mógł być niwelowany przez odpowiednio dobrany skład membran.Persistent organic pollutants (POP) accumulate in the soils and endanger the soil bacteria and fungi. They can be incorporated into the membranes and increase their susceptibility to secretory enzymes present in the soil. The aim of this thesis was the application of phospholipid Langmuir monolayers as the models of soil decomposer membranes and the investigation of the effect of the membrane composition and POP incorporation on the resistivity of the model membrane to the hydrolytic activity of phospholipase A2 (PLA2). In the bibliographic part the recent knowledge of the membrane structure, membrane modeling, membrane-related phenomena and the application of Langmuir monolayers as membrane models was referred. In the experimental part the routine experimental procedures and the applied scientific instruments were characterized. The studies proved that multicomponent monolayers mimicking bacterial membranes are more resistant to the action of PLA2 than one-component phospholipid monolayers. It turned out, that the monolayers with high cardiolipin content, especially these containing both cardiolipin and phosphatidylethanolamine, are especially resistant to PLA2 attack. The presence of POP in the model membranes increased their susceptibility to PLA2 degradation; however the effect of these pollutants could be limited by the proper phospholipid content of the membrane

Chiral recognition via a stereodynamic vanadium probe using the electronic circular dichroism effect in differential Raman scattering

Intermolecular interactions sensitive to chirality occur in many biological events. We report a complex formation between a versatile vanadium-based probe and a chiral co-ligand monitored via the combination of electronic circular dichroism (ECD) and Raman scattering. This "ECD-Raman" effect was discovered relatively recently and can be measured using a Raman optical activity (ROA) spectrometer. Simulated spectra based on experimental ECD and degree of circularity (DOC) values agree with the observed ones. Sensitive recognition of the chiral enantiopure co-ligand is thus enabled by a combination of resonance of the excitation light with the diastereoisomeric complex, co-ligand complexation, circular dichroism, and polarized Raman scattering from the achiral solvent. Relatively dilute solutions could be detected (10(-4) mol dm(-3)), about 1000x less than is necessary for conventional ROA detection of the pure co-ligand and comparable to concentrations needed for conventional ECD spectroscopy. The results thus show that differential ECD-Raman measurements can be conveniently used to monitor molecular interactions and molecular spectroscopic properties