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Abstract

The formation of lipid-membrane compartments is one of the distinguishing features of eukaryotic cells. Inspired by the complexity of cellular functional modules and compartments, scientists have concentrated on developing synthetic compartments for the bottom-up assembly of cellular functions. This cumulative thesis bridges the gap between the development of droplet-based microfluidic technology, and its application towards the creation of synthetic cells. Towards this end, polymer-based water-in-oil droplets and microfluidic devices were optimized to achieve stable retention of encapsulated biomolecules within the droplet-based compartments. The outcomes of this research provided crucial information for the successful reconstitution of microtubule networks, representing a minimal cytoskeleton model system. Furthermore, in an attempt to combine the properties of biological lipid membranes with the advantages of droplet-based microfluidics, a new compartment system termed droplet-stabilized Giant Unilamellar Vesicles (dsGUVs) was developed. Importantly, the enhanced stability of dsGUVs and the implementation of ’pico-injection’ microfluidic technology enabled the sequential and precise loading of dsGUVs with biomolecules and membrane proteins without compromising their functionality. In order to expand the potential of this technology, a new microfluidic device was developed for the release of the assembled protocells into a physiological environment. Finally, Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) was reconceptualized as a new analysis tool, allowing for the efficient monitoring of the high-throughput generation process of droplet-based synthetic cells in the kHz-range.

Translation of abstract (German)

Jede lebende Zelle besitzt eine Hülle aus einer Biomembran. Um die komplexen Eigenschaften und Funktionen von Zellbestandteilen nachzubilden, sind Wissenschaftler auf der Suche nach synthetischen Hüllen, die den Aufbau einer minimalen synthetischen Zelle aus ihren fundamentalen Bestandteilen ermöglichen sollen. Diese kumulative Arbeit verbindet die Entwicklung von tröpfchen-basierter Mikrofluidik-Technologie und deren Anwendung für den Aufbau von synthetischen Zellen. Dafür wurde zunächst die grundsätzliche Eignung mikrofluidischer Tropfen als künstliche Hülle untersucht, wobei die Stabilität der Tropfen sowie die Fähigkeit, Fluorophore und Biomoleküle langfristig einzukapseln, verbessert wurde. Diese Ergebnisse machten es möglich, die Selbstorganisation von Mikrotubuli-Netzwerken zu untersuchen, was ein minimales Modellsystem des Cytoskeletts darstellt. Um die Eigenschaften von biologischen Lipidmembranen mit den Vorteilen der tröpfchen-basierten Mikrofluidik zu kombinieren, wurde ein neuartiges Kompartiment entwickelt, das droplet-stabilized Giant Unilamellar Vesicle (ds-GUV) genannt wurde. Es konnte gezeigt werden, dass sich nach der Herstellung der ds-GUVs weitere funktionale Biomoleküle über ein mikrofluidisches ‚Piko-Injektionssystem’ vollautomatisch und kontrollierbar injizieren lassen. Um das Potential dieser Technologie noch zu erweitern, wurde eine Methode entwickelt, mit der sich die aufgebauten Minimalzellen mitsamt ihrer Lipidmembran aus der stabilisierenden Polymerschicht in eine wässrige Umgebung überführen lassen. Darüber hinaus wurde die Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) als Analysemethode neu konzipiert, um eine Kontrolle der effizienten Herstellung von tröpfchen-basierten synthetischen Zellen im kHz-Bereich zu ermöglichen.