Vesicles interacting with nanoparticles
vorgelegt von
Doctor of Philosophy
Amirhoushang Bahrami
aus Teheran
Von der Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Martin Schoen
Gutachterin: Prof. Dr. Sabine H. L. Klapp
Gutachter: Dr. habil. Thomas R. Weikl
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 30. Juli 2013
Berlin 2013
D 83
Abstract
In this dissertation, we study the interactions of vesicle membranes with nanoparticles of
different shapes. The wrapping and internalization of nanoparticles by biomembranes
plays a critical role in drug delivery applications and nanomedicine.
We begin with a single spherical particle adsorbed on a vesicle and solve the shape
equations for rotationally symmetric vesicles to investigate the wrapping of the particle
by the vesicle. These shape equations are based on the Helfrich bending energy of the
vesicle membrane. We predict different regimes for partial and full wrapping of the
nanoparticle and relate the wrapping transition and its energy barrier to the reduced
volume of the vesicle and the relative size of the vesicle and particle.
We next study the cooperative wrapping of several spherical nanoparticles using
simulated annealing Monte Carlo simulations of triangulated vesicles. We report novel
tubular membrane structures induced by the nanoparticles, which we obtain from energy
minimization. The membrane tubules enclose linear aggregates of particles and protrude
into the vesicles. The high stability of the particle-filled tubules implies strongly
attractive, membrane-mediated interactions between the particles. The tubular structures
may provide a new route to encapsulate nanoparticles reversibly in vesicles.
With this simulation method, we also investigate the role of the membrane curvature on
the membrane-mediated interactions between adsorbed nanoparticles. We consider two
different types of Janus nanoparticles, which both can only be partially wrapped by the
vesicle. We report attractive interactions between two particles adsorbed to the outside of
the vesicle, but repulsive interactions between particles that are adsorbed to the inside of
the vesicle.
Finally, we study the wrapping of single ellipsoidal nanoparticles by a vesicle via
simulated annealing Monte Carlo simulations. We report two distinct regimes of
spreading and internalization, which are separated by an energy barrier, and relate the
success or failure of the internalization to the particle shape and orientation relative to the
vesicle. We observe easier spreading yet more difficult internalization for ellipsoidal
particles with lower aspect ratios, which may explain the high virulence of tubular
viruses. We find that the wrapping of ellipsoidal particles is associated with an
orientation change of the particle. While the spreading starts on the flat side of the
ellipsoidal particles, the particle changes its orientation during wrapping, and
internalization finally occurs in an orientation in which a tip of the ellipsoidal particles
protrudes into the vesicles.
Zusammenfassung
In dieser Dissertation betrachten wir die Wechselwirkungen von Vesikelmembranen mit
Nanoteilchen unterschiedlicher Form. Die Umwickelung und Internalisierung von
Nanoteilchen durch Biomembranen spielt eine zentrale Rolle in Medikamentenforschung
und Nanomedizin.
Wir beginnen mit einem einzelnen kugelförmigen Teilchen, das an einem Vesikel
adsorbiert ist, und lösen die Formgleichungen für rotationssymmetrische Vesikelformen
um die Umwickelung des Teilchens zu untersuchen. Diese Formgleichungen basieren auf
der Helfrichschen Biegeenergie der Vesikelmembranen. Wir erhalten verschiedene
Regime für die teilweise und die volle Umwickelung der Teilchen, und setzen die
Energiebarriere für den Umwickelungsübergang mit dem reduzierten Volumen des
Vesikels und der relativen Größe von Vesikel und Teilchen in Beziehung.
Als nächstes untersuchen wir die kooperative Umwickelung mehrerer kugelförmiger
Nanoteilchen mit Hilfe von ‘simulated annealing’ Monte-Carlo-Simulationen von
triangulierten Vesikeln. Wir finden neuartige tubuläre Membranstrukturen, die durch die
Nanoteilchen induziert werden und die Gesamtenergie minimieren. Diese tubulären
Strukturen weisen einen neuen Weg, Nanoteilchen reversibel in Vesikeln einzuschließen.
Mit dieser Simulationsmethode untersuchen wir auch den Einfluss der
Membrankrümmung auf die membranvermittelten Wechselwirkungen zwischen den
adsorbierten Nanoteilchen. Wir betrachten zwei verschiedenen Arten von Janus-Teilchen,
die nur teilweise von der Membran umwickelt werden. Wir erhalten attraktive
Wechselwirkungen zwischen zwei Teilchen, die außen an ein Vesikel adsorbiert sind,
jedoch repulsive Wechselwirkungen zwischen Teilchen, die von Innen an die
Vesikelmembran adsorbieren.
Schließlich betrachten wir die Umwickelung einzelner ellipsoidaler Nanoteilchen in
‘simulated annealing’ Monte-Carlo-Simulationen. Wir erhalten zwei unterschiedliche
Regime von Spreiten und Internalisierung, die durch eine Energiebarriere getrennt sind,
and setzen die Höhe dieser Barriere mit der Teilchenform und –orientierung in
Beziehung. Wir beobachten einfacheres Spreiten aber erschwerte Internalisierung mit
zunehmender Ellipsität der Teilchen. Die Umwickelung der ellipsoidalen Teilchen ist mit
einer Orientierungsänderung der Teilchen verbunden. Das Spreiten der Teilchen durch
die Vesikelmembran beginnt an den flachen Seiten. Bei forschreitender Umwickelung
ändert sich jedoch die Ausrichtung der Teilchen, und die Internalisierung geschieht
schließlich in einer Orientierung, in der eine Spitze der ellipsoidalen Teilchen in das
Vesikel hineinragt.
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