Proteopolymersomes: In vitro production of a membrane protein in polymersome membranes

Abstract

Polymersomes are stable self-assembled architectures which mimic cell membranes. For characterization, membrane proteins can be incorporated into such bio-mimetic membranes by reconstitution methods, leading to so-called proteopolymersomes. In this work, we demonstrate the direct incorporation of a membrane protein into polymersome membranes by a cell-free expression system. Firstly, we demonstrate pore formation in the preformed polymersome membrane using α-hemolysin. Secondly, we use claudin-2, a protein involved in cell-cell interactions, to demonstrate the in vitro expression of a membrane protein into these polymersomes. Surface plasmon resonance (Biacore) binding studies with the claudin-2 proteopolymersomes and claudin-2 specific antibodies are performed to show the presence of the in vitro expressed protein in polymersome membranes.

Nucleocytoplasmic Transport: A Paradigm for Molecular Logistics in Artificial Systems

“…[18] The reconstitution of aquaporin-0 (AQP0) further yielded intrinsically osmoregulatory polymersomes that were able to transport water molecules across their polymeric membranes. [19] To transport larger molecules, α-hemolysin that bears an inner channel diameter of ∼2.6 nm has enabled the exchange of ions and vital molecules viz., AT P [20] while molecules of up to 600 Da needed for such molecular modules to function? iii) How large are the molecular modules under consideration, and how should they be encapsulated or imported?…”

Advanced drug delivery nanosystems (aDDnSs): a mini-review

“…Different amphiphilic copolymers as well as their architectures show differences in the requirement of hydrophilic to hydrophobic block ratio to form polymersomes with various types of morphologies. From a biophysical point of view polymersomes, as well as liposomes, can be considered as interesting membrane mimics (Le Meins et al, 2011), while membrane proteins can be incorporated into such biomimetic membranes by reconstitution methods, leading to socalled proteopolymersomes (Nallani et al, 2011). On the other hand, amphiphilic block copolymers have been studied extensively in biomedicinal and pharmaceutical applications ranging from sustained-release advanced technologies and mimetics for biological membranes to drug delivery (Rösler et Solid lipid nanoparticles (SLN) introduced in 1991 represent an alternative carrier system to traditional conventional colloidal carriers, such as; emulsions, liposomes and polymeric particles.…”

Funktionelle Synthese des Lichtsammelkomplexes II in Polymermembran‐Architekturen

“…[6,7] Die In-vitro-Membran-unterstützte (assisted) Proteinsynthese (iMAPS), auch als "zellfreie" Expressionsstrategie beschrieben, in Kombination mit künstlichen Membranmaterialien wird von uns als eine robuste und zuverlässige Te chnik für eine De-novo-Synthese von Membranproteinen vorgestellt, wie es für GPCRs, [8] Claudin-2 [9] und weitere sehr verschiedenartige Membranproteine [10,11] bereits gezeigt wurde.J üngste Versuche,k onventionelle Lipidmembranen durch Polymermembranen zu ersetzen, ergeben eine weitere interessante Perspektive,d ad ie Letztgenannten definierte, reproduzierbare und vor allem chemisch und physikalisch robuste Membranarchitekturena ufweisen.[12] Wirh aben uns für Polymermembranen aus amphiphilen Diblockcopolymeren entschieden, da diese in wässriger Umgebung Lipidmembran-ähnliche Doppelschichten bilden.[12-14] Die Polymermembranen sind leicht variierbar in Bezug auf ihre Dicke, Durchlässigkeit und Steifheit gemäß der Auswahl an unterschiedlichen Polymerbausteinen.[14] Die Verwendung der zellfreien Proteinsynthese mit diesen Polymermembranen ermçglicht die De-novo-Synthese von Membranproteinen in eine Membranarchitektur,m it dem Vorteil, dass diese frei vom Einfluss zellulärer Regulationsmechanismen ist und die Membranproteine keiner Detergenz-basierten und damit denaturierenden Aufreinigungsprozedur ausgesetzt werden. [9,11,15,16] Hier zeigen wir den gerichteten Einbau von funktionalem LHCII und LHCII-Pigment-Komplexen, eingebaut in so genannte Polymersomen (sphärische Polymervesikel) sowie aus dem gleichen Material bestehende,a ber planar auf einer festen Oberfläche organisierten Polymer-Doppelschichten.…”

“…Das Verfahren der zellfreien Proteinsynthese führt anschließend zu einem cotranslationalen, gerichteten LHCII-Einbau in diese polymeren Membranstrukturen, wie wir es bereits für ein anderes Proteinbeispiel beschrieben haben. [9] À1 an zugegebenem Polymermaterial pro Zelllysatansatz (Abbildung 1B). Wirv ermuten, dass das optimale Verhältnis von Polymersomen zu Zelllysat durch einen molekularen Verdrängungseffekt bestimmt ist, der,f alls richtig gewählt, die Genexpression in zellfreien Systemen [17] robuster machen kann.…”

“…Polymersomen mit integrierten LHCII-Komplexen, so genannten Proteopolymersomen (PPs), wurden, wie von Nallani et al beschrieben, gereinigt. [9] Die resultierenden PPs wurden auf zwei [19] Die tatsächliche Integration von LHCII in die Polymersomen wurde durch eine Kombination von Immunpräzipita-tion [20] und Natriumcarbonatextraktion bestätigt, [21] [20] beschrieben, wobei vollständig integrierter LHCII vom verwendeten Zelllysat abgetrennt wurde.D ies ist mçg-lich, da die a-PEG-Antikçrper in der Lage sind, an den Polyethylenoxidanteil des Polymers zu binden. In Abbildung 3 ist ein exemplarisches Ergebnis dieser Aufreinigung dargestellt, wobei die Natriumcarbonat-behandelte Probe zeigt, dass der mittels iMAPS synthetisierte LHCII vollständig in die Polymermembran integriert ist.…”