Aufklärung von Mechanismen bei Strukturbildungsvorgängen und von Prozess-Struktur-Wechselwirkungen in mehrphasigen, hochkonzentrierten Proteinsystemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Kulozik
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315464976

In mehrphasigen bzw. komplexen biogenen Systemen aus mehreren andersartigen Proteinkompo-nenten wurden vielfältige stoffliche Einflussgrößen auf Strukturbildung durch Proteinaggregation festgestellt, die in unterschiedlicher Weise wechselwirken und die durch prozesstechnische Maß-nahmen ausgelöst bzw. gesteuert werden können. Vorgänge der Proteinaggregation können in mehrstufigen Reaktionen ablaufen, die zu einer komplexen Strukturbildung durch diese Proteinagglomerate führen. Charakteristische Vorgänge dieser Art wurden bisher nur ansatzweise und phänomenologisch beschrieben, mechanistisch bzw. im molekularen und mikrostrukturellen Sinn sind sie noch kaum verstanden. Eine Ableitung von Prozess-Struktur-Korrelationen war noch nicht möglich bzw. ist bisher nicht angegangen worden, was aber Voraussetzung für das Steuern der ablaufenden Reaktionen wäre. Grundlage für ein gezieltes Nutzen derartiger Strukturbildungsvorgänge durch `protein self assemblies´ ist ein fundiertes Verständnis, was in Anbetracht der Komplexität der Zusammenhänge grundlegende Untersuchungen erfordert. Die Hypothese des Vorhabens ist, dass diese Vorgänge wie ein autokatalytischer Prozess ablaufen, der durch Vorgabe einer Starthilfe (`Seeding´) induziert und im Verlauf durch Wahl der Prozess- und Milieubedingungen beschleunigt, gezielt moderiert bzw. gesteuert werden kann. Untersucht werden soll, wie strukturell unterschiedliche Proteine die Kinetik der Aggregation und die Eigenschaften der Aggregate sowie der daraus resultierenden Strukturen beeinflussen. Tiefere Kenntnisse zu Vorgängen dieser Art sind von Relevanz für die effizientere und gezieltere Gestaltung von komplexen proteinbasierten Systemen im Feld der Lebensmitteltechnologie bzw. zur Verhinderung von ungewollter Strukturierung von biotechnologischen Prozessen, wo Aggregationsvorgänge zum Verlust der biologischen Aktivität u.a. von Enzymen führen können. Selbst in der Bio¬pharmazie sind Kenntnisse zur Aggregation von Proteinen und ähnlich sensitiven Molekülen mit therapeutischem Wirkstoffcharakter (Antikörper, Wachstumsfaktoren, Hormone) von großer Bedeutung, wenn diese aus komplexen Gemischen wie Fermenterbrühen in isolierter Form gewonnen werden sollen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1934: Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Jannika Dombrowski; Ilona Hager; Michael Reitmaier