Proteinadsorption an Gas-Flüssig-Grenzflächen: Mechanismus und Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerhard Schembecker, seit 1/2018
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315333877

Die Fähigkeit von Proteinen mit Grenzflächen zu interagieren liegt in ihrer Natur. Dieses Potenzial wird in der Verfahrenstechnik seit Jahrzehnten zu deren Produktion, Aufarbeitung und Formulierung genutzt. Obwohl die intrinsische Grenzflächenaktivität der Proteine schon lange bekannt ist, kann diese Eigenschaft aufgrund des mangelnden molekularen Verständnisses der Abläufe an der Grenzfläche nicht zur direkten Auslegung von Prozessen, wie Adsorption, genutzt werden. Ziel dieses Projektes ist es, das Grenzflächenverhalten von Proteinen auf molekularer Ebene zu verstehen, um das Verhalten der Proteine auf makroskopischer Ebene in Abhängigkeit verschiedenster Prozessbedingungen vorhersagen und zur Auslegung verfahrenstechnischer Prozesse nutzen zu können. Während der Zerschäumung, einem schonenden Trennverfahren zur Aufkonzentrierung und Isolierung von Proteinen, stellt die Fähigkeit von Proteinen an Gas-Flüssig-Grenzflächen zu adsorbieren die Trenneigenschaft dar. Um diese Trenneigenschaft effektiv nutzen zu können, muss der Adsorptionsprozess auf molekularer Ebene verstanden und auf makroskopischem Level beschreibbar sein. Dazu sollen in einem ersten Schritt die Proteineigenschaften, die maßgeblich die Grenzflächenaktivität beeinflussen (z.B. die Oberflächenladungsdichte, Hydrophobizität und Flexibilität der Tertiärstruktur), standardisiert, evaluiert und die Proteine hinsichtlich dieser Eigenschaften klassifiziert werden. In einem nächsten Schritt soll der Einfluss verschiedener thermischer, stofflicher und mechanischer Prozessbedingungen auf die Grenzflächenaktivität systematisch untersucht werden. Es folgen Zerschäumungsexperimente zur Bestimmung der Adsorptionsfähigkeit der zuvor definierten Proteinklassen sowie zur Untersuchung des Einflusses variierender Prozessbedingungen auf die Trenneffizienz, Schaum- und Proteinstabilität. Zur molekularen Aufklärung stehen Techniken wie die Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie zur Echtzeit-Analyse des Adsorptionsverhaltens und von Konformationsänderungen, Oberflächendruckmessungen zur Bestimmung der Adsorptionskinetik und Röntgenreflektometrie zur Analyse der Adsorptionsschicht zur Verfügung. Weiterhin werden Verfahren der Infrarot- und Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie zur Aufklärung von reversiblen und irreversiblen Strukturänderungen genutzt. Mit Hilfe dieses breiten methodischen und experimentellen Ansatzes wird es möglich sein, den Einfluss der verschiedenen stofflichen und thermischen Faktoren und eventueller Strukturänderungen des Proteins durch mechanische oder thermische Beanspruchung sowie die Protein-Grenzflächen-Wechselwirkungen auf den Adsorptionsprozess molekular zu deuten und makroskopisch zu quantifizieren. Diese Erkenntnisse ermöglichen dann die Auslegung von Prozessen, hinsichtlich Betriebsbedingungen, Apparatedesign und gezieltem protein engineering, mit der gewünschten Grenzflächenaktivität der Proteine.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1934: Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen
• Ehemalige Antragstellerin: Dr.-Ing. Juliane Merz, bis 12/2017