Theoretical investigation of the adsorption of lysozyme on different oxide materials for the development of antibacterial hybrid materials

• Applicant: Dr. Susan Köppen
• Subject Area: Biomaterials
• Term: from 2012 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 216381280

Für die Entwicklung hybrider Materialien im Bereich der antibakteriellen Beschichtung ist die Biofunktionalisierung mit adsorbiertem Lysozym ein vielversprechender Ansatz. Zahlreiche experimentelle Untersuchungen, wie die Auswertung von Adsorptionsisothermen, von Lysozym auf keramischen Materialien weisen auf Unterschiede in der Menge des adsorbierten Materials in Abhängigkeit vom Oberflächenmaterial und dessen Chemie hin, Aktivitätsmessungen haben jedoch nur eine qualitative Aussagekraft. Offen bleibt, wodurch die Masse- und Aktivitätsunterschiede auf den verschiedenen Materialien initiiert werden. Ziel in diesem Projekt soll es sein, diese offene Fragestellung mit Hilfe von atomistischen Simulationen zu klären und einen Zusammenhang zwischen der Oberflächenchemie eines Materials und der Aktivität des adsorbierten Enzyms zu definieren.Als ein erster Schritt in diese Richtung sind ausführliche theoretische Untersuchungen der Adsorption von Lysozym auf drei technisch relevanten Materialoberflächen (Siliziumoxid, Titandioxid, Aluniniumoxid) geplant. Diese Materialien wurden ausgewählt, weil sie mit ihren PZC’s einen großen pHBereich aufspannen und stehen exemplarisch für stark saure, weniger saure und basische keramische Materialien. Sowohl auf dem quantenchemischen Level als auch mit Kraftfeldern hat sich gezeigt, das atomistische Simulationen ein echtes Werkzeug sind, um die fundamentalen Vorgänge an hybriden Grenzflächen zu verstehen. In diesem Projekt wird zuerst die hauptsächlich elektrostatisch getriebene Annäherung des Lysozyms an die Oberfläche analysiert, wobei eine umfassende Untersuchung der bevorzugte Orientierungen des Proteins zur Oberfläche mit inbegriffen ist. Für ausgesuchte Orientierungen werden lange moleküldynamische Simulationen durchgeführt, in denen stabile Kontakte zu den verschiedenen Oberflächen sowie Oberfläche-induzierte Konformationsänderungen ausgewertet werden sollen. Die Ergebnisse sollen genutzt werden, um die Unterschiede, die experimentell gemessen werden, zu klären und Ansätze zur Optimierung der Lysozymbeschichtung zu finden.

• DFG Programme: Research Grants