Publikationen

Über 120 Publikationen und mehr als 7500 Zitierungen – unsere Forschung hinterlässt Spuren.
Die Publikationen verknüpfen die Fachbereiche Membranbiophysik, molekulare Biophysik, Physik weicher Materie, physikalische Chemie, und Biochemie.

Publikationen - Highlights

Asymmetrische Membranen sind überraschend fest

Zellen haben eine äußere Hülle, die Plasmamembran. Diese Membran schützt die Zelle, aber sie hat noch eine weitere wichtige Aufgabe: Sie enthält viele kleine Eiweiße (Proteine), die mit ihrer Umgebung reagieren.

Ein spannendes Thema in der Forschung ist die ungleichmäßige Verteilung der Fettmoleküle (Lipide) in der Membran. Diese Verteilung nennt man Membranasymmetrie. Sie wird durch bestimmte Proteine – Flipasen, Flopasen und Scramblasen – genau gesteuert.

Wir haben untersucht, wie sich diese Membranasymmetrie auf die Festigkeit der Membran auswirkt. Dazu haben wir eine besondere Technik verwendet: die Neutronen-Spin-Echo-Spektroskopie. Damit konnten wir messen, wie biegsam künstlich hergestellte Membranen sind.

Das Ergebnis war überraschend: Asymmetrische Membranen waren besonders fest. Sie waren sogar fester als symmetrische Membranen aus denselben Lipiden.

Warum das so ist, wird noch weiter erforscht. Aber unsere Ergebnisse zeigen, dass die asymmetrische Verteilung der Lipide die Zelle widerstandsfähiger machen könnte. Dadurch kann die Zelle vielleicht schneller auf Belastungen reagieren und sich schützen.

 

Bildschema zeigt das asymmetrische Membranen fester sind {f:if(condition: 'Georg Pabst', then: '©Georg Pabst')}
©Georg Pabst
Biegefestigkeitsmessungen zeigen, dass asymmetrische Membranen entscheidend fester sein können als symmetrische Membranen.
Design: Georg Pabst, Daten aus Frewein et al., Biophys J. (2023), Lizenz: (CC-BY 4.0 DEED)
Schema wie OmpLA von Lipiden beinflusst wird {f:if(condition: 'Georg Pabst', then: '©Georg Pabst')}
©Georg Pabst
Schematische Darstellung wie Ionen die Form von geladenen Lipiden von zylindrisch zu konisch änder. Diese Änderungen wirken sich auf die Spannung in der Membran aus, womit sich die Aktivität von Proteinen anpasst.
Aus: Piller et al., RSC Appl. Interf (2025), Lizenz: (CC-BY 4.0 DEED)

Metall-Ionen beeinflussen Enzymaktivität durch Veränderung der Membranspannung

Metall-Ionen sind wichtige Helfer für Proteine. Oft sorgen sie dafür, dass Proteine richtig funktionieren und stabil bleiben. Beim Enzym OmpLA (ein Enzym in der äußeren Zellmembran von Gram-negativen Bakterien) helfen Calcium-Ionen, damit es in seiner aktiven Form bleibt.

Wir haben untersucht, wie OmpLA Lipide in der Membran abbaut (hydrolysiert). Dabei haben wir verschiedene Membranen getestet: elektrisch neutral und negativ geladen sowie mit symmetrischer oder asymmetrischer Lipidverteilung.

In Membranen ohne Ladung war OmpLA in symmetrischen Membranen aktiver als in asymmetrischen Membranen. Das liegt daran, dass es keine Spannungsunterschiede zwischen den beiden Membranschichten gibt. Überraschenderweise war es bei geladenen Membranen genau umgekehrt: Hier war OmpLA in asymmetrischen Membranen aktiver.

Röntgenkleinwinkel-Messungen zeigten, dass sich die Form der geladenen Lipide verändert, sobald Calcium hinzugefügt wird. Dadurch wird die Spannung in asymmetrischen Membranen verringert, was die Enzymaktivität erhöht. Ein ähnlicher Effekt trittt auch mit Natrium-Ionen auf. Diese beeinflussen die Lipidform, aber sie binden nicht direkt an das Protein.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass Metall-Ionen nicht nur direkt mit Membranproteinen reagieren. Sie beeinflussen deren Aktivität auch indirekt, indem sie die Form der Lipide verändern.

  • Link zum Artikel: P. Piller et al., RSC App Interf 2: 69 – 73 (2025) DOI: 10.1039/D4LF00309H.

Zeitaufgelöste Streuung an lebenden Zellen: Wie Antimikrobielle Peptide funktionieren

Die Entwicklung neuer Antibiotika kommt nicht schnell genug voran, während immer mehr Bakterien gegen bestehende Medikamente resistent werden. 

Eine vielversprechende Alternative sind antimikrobielle Peptide (AMPs). Diese gehören zum natürlichen Immunsystem und wirken anders als herkömmliche Antibiotika. Statt über einen speziellen Schlüssel-Schloss-Mechanismus mit Bakterien zu interagieren, greifen sie auf eine breitere Weise mehrere Zellbestandteile an – zum Beispiel die schützende Lipidmembran. Dadurch haben Bakterien weniger Chancen, Resistenzen zu entwickeln. Doch obwohl AMPs vielversprechend sind, wissen Forscher noch nicht genau, wie sie auf molekularer Ebene in Zellen wirken. 

Um den Wirkmechanismus von AMPs besser zu verstehen, haben wir lebende E. coli-Bakterien untersucht. Dazu nutzten wir zwei spezielle Analysemethoden:

  • Röntgen-(Ultra)kleinwinkelstreuung ((U)SAXS)
  • Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS) mit Kontrastvariation

Mit diesen Methoden konnten wir in Echtzeit verfolgen, wie schnell AMPs auf Bakterien wirken. Unsere Analysen zeigten, dass das Löchrig-Machen der Membran nicht alleine ausreicht, um Bakterien abzutöten. Das wirksamste AMP in unserer Studie war besonders effizient, weil es am schnellsten in hohen Mengen ins Zellinnere gelangte und so das Wachstum der Bakterien stoppte.

Streudaten von Bakteriern {f:if(condition: 'Enrico Semerarp', then: '©Enrico Semerarp')}
©Enrico Semerarp
Röntgenstreudaten von E. coli Bakterien und deren Analyse. Die Bilder rechts zeigen Elektronenmikroskopieaufnahmen.
Aus: Semeraro et al., eLife (2022), Lizenz: (CC-BY 4.0 DEED)

Übersicht wichtiger Beiträge

  1. P. Piller, P. Reiterer, E.F. Semeraro, & G. Pabst, Metal ion cofactors modulate integral enzyme activity by varying differential membrane curvature stress, RSC App Interf 2: 69 – 73 (2025) DOI: 10.1039/D4LF00309H.
  2. M.P.K Frewein, P. Piller, E.F. Semeraro, O. Czakkel, Y. Gerelli, L. Porcar & G. Pabst, Distributing aminophospholipids asymmetrically across leaflets causes anomalous membrane stiffening, Biophys. J. 122, 2445 (2023), DOI: 10.1016/j.bpj.2023.04.025.
  3. P. Piller, E.F. Semeraro, G. N. Rechberger, S. Keller & G. Pabst, Allosteric modulation of integral protein activity by differential stress in asymmetric membranes, PNAS Nexus 2, 1 (2023), DOI: 10.1103/10.1093/pnasnexus/pgad126.
  4. J. Jennings, & G. Pabst, Multiple routes to bicontinuous cubic liquid crystal phases discovered by high-throughput self-assembly screening of multi-tail lipidoids, Small 2206747 (2023), DOI: 10.1002/smll.202206747.
  5. E.F. Semeraro, L. Marx, J. Mandl, I. Letofsky-Papst, C. Mayrhofer, M.P.K. Frewein, H.L. Scott, S. Prévost, H. Bergler, K. Lohner & G. Pabst, Lactoferricins impair the cytosolic membrane of Escherichia coli within a few seconds and accumulate inside the cell, eLife 11, e72850 (2022), DOI: 10.1101/2021.09.24.461681.
  6. M.P.K. Frewein, P. Piller, E.F. Semeraro, K.C. Batchu, F.A. Heberle, H.L. Scott, Y. Gerelli, L. Porcar, and G. Pabst, Interdigitation-induced order and disorder in asymmetric membranes, J Membrane Biol. (2022), DOI: 10.1007/s00232-022-00234-0.
  7. M. Kaltenegger, J. Kremser, M.P. Frewein, P. Ziherl, D.J. Bonthuis & G. Pabst, Intrinsic lipid curvatures of mammalian plasma membrane outer leaflet lipids and ceramides, Biochim. Biophys. Acta 1836, 183709 (2021), DOI: 10.1016/j.bbamem.2021.183709.
  8. B. Eicher, D. Marquardt, F.A. Heberle, I. Letofsky-Pabst, G.N. Rechberger, M.-S. Appavou, J. Katsaras & G. Pabst, Intrinsic curvature-mediated transbilayer coupling in asymmetric lipid vesicles, Biophys. J. 114, 146 (2018), DOI: 10.1016/j.bpj.2017.11.009.
  9. B.-S. Lu, S.P. Gupta, M. Belička, R. Podgornik & G. Pabst, Modulation of elasticity and interactions in charged lipid multibilayers: monovalent salt solutions, Langmuir 32, 1355 (2016), DOI: 10.1021/acs.langmuir.6b03614.
  10. B. Kollmitzer, P. Heftberger, R. Podgornik, J.F. Nagle & G. Pabst, Bending rigidities and interdomain forces in membranes with coexisting lipid domains Biophys. J. 108, 2833 (2015), DOI: 10.1016/j.bpj.2015.05.003.

  1. E.F. Semeraro, M.P.K. Frewein, & G. Pabst, Chapter Fourteen - Structure of symmetric and asymmetric lipid membranes from joint SAXS/SANS, in Methods in Enzymol, T. Baumgart, M. Deserno (edts), Academic Press, 700: 349 - 383 (2024) DOI: 10.1016/bs.mie.2024.02.017.
  2. G. Pabst, & S. Keller, Exploring membrane asymmetry and its effects on membrane proteins, Trends Biochem Sci, 49: 333 -345 (2024) DOI: 10.1016/j.tibs.2024.01.007
  3. G.J. Schütz  & G. Pabst, The asymmetric plasma membrane—A composite material combining different functionalities? BioEssays 45: 2300116 (2023) DOI: 10.1002/bies.202300116
  4. E.F. Semeraro, L. Marx, M.P.K. Frewein, and G. Pabst. Increasing complexity in small-angle X-ray and neutron scattering experiments: from biological membrane mimics to live cells, Soft Matter 17: 222 - 232 (2021) DOI: 10.1039/C9SM02352F
  5. D. Marquardt, F.A. Heberle, J.D. Nickels, G. Pabst, & J. Katsaras. On scattered waves and lipid domains: detecting membrane rafts with X-rays and neutrons. Soft Matter 11: 9055 - 9072 (2015). DOI: 10.1039/C5SM01807B
  6. D. Marquardt, B. Geier, and G. Pabst, Asymmetric lipid membranes: towards more realistic model systems. Membranes 5: 180 - 196 (2015). DOI: 10.3390/membranes5020180

G. Pabst, N. Kučerka, M.-P. Nieh, & J Katsaras (Hg), Liposomes, Lipid Bilayers and Model Membranes From Basic Research to Application, CRC Press (2014) ISBN: 9781138198753

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Forschung - Team Georg Pabst