Osmolyt-Einfluss auf Dichten, Löslichkeiten, osmotische Drücke und Reaktionsgeschwindigkeiten in biologischen Systemen unter hohem hydrostatischem Druck

• Antragstellerin: Professorin Dr. Gabriele Sadowski
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 227612752

Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung des Einflusses von Osmolyten auf die thermodynamischen Eigenschaften biologischer Lösungen unter hohem hydrostatischem Druck. Im Fokus stehen dabei die Dichte, osmotische Koeffizienten/osmotischer Druck sowie die Löslichkeiten bzw. Aktivitätskoeffizienten von Biomolekülen in wässrigen Lösungen.Diese thermodynamischen Eigenschaften bei hohem Druck (bis 5.000 bar) werden mit Hilfe des thermodynamischen Modells PC-SAFT (Perturbed-Chain Statistical Associating Fluid Theory) vorausberechnet. Die Parametrisierung von PC-SAFT erfolgt anhand von im Projekt gemessenen Dichten (bis 500 bar) und osmotischen Koeffizienten (gemessen bei Umgebungsdruck). Die gemessenen Dichten bei Drücken bis 500 bar dienen als Referenz für Dichtemessungen bei noch höheren Drücken in SP 2. Diese werden ihrerseits verwendet, um die PC-SAFT-Vorausberechnungen der Dichten bei Drücken bis zu 5.000 bar zu validieren. Die Validierung der Modellparameter und PC-SAFT Berechnungen erfolgt außerdem durch den Vergleich von vorausberechneten Aminosäure-Löslichkeiten unter hohem Druck mit Literaturwerten.Nach erfolgter Validierung des Modells wird PC-SAFT verwendet, um Dichten und osmotische Drücke biologischer Lösungen als Funktion des hydrostatischen Druckes sowie in Anwesenheit von Osmolyten und als Funktion von deren Konzentration vorauszuberechnen. Diese Information dient unter anderem zur Validierung von Kraftfeldern, die in SP7 für molekulare Simulationen in Biomolekül/Osmolyt Lösungen entwickelt werden.Die PC-SAFT Berechnungen werden es außerdem ermöglichen, zwischen den Effekten des hohen Druckes sowie der anwesenden Osmolyte auf die thermodynamischen Eigenschaften der biologischen Lösungen zu differenzieren und gemeinsam mit anderen Projekten des Forschungsverbundes dazu beitragen, die unterschiedlichen Effekte verschiedener Osmolyte sowie von Harnstoff als Nicht-Osmolyt in diesen Systemen zu verstehen.Die mit Hilfe von PC-SAFT als Funktion des Druckes und der Osmolyt-Konzentration berechneten Aktivitätskoeffizienten eines Peptids werden weiterhin erstmals dazu verwendet, die bei diesen Bedingungen gemessenen Kinetiken der Peptidspaltung auszuwerten. Diese Kinetik hängt sowohl vom Druck- und Osmolyt-Einfluss auf das katalysierende Enzym (untersucht in SP 9) als auch auf die Aktivitätskoeffizienten der Reaktanden ab. Da die Aktivitätskoeffizienten in der Regel unbekannt sind, werden sie nach dem Stand der Technik zu Eins gesetzt. Die erhaltene Geschwindigkeitskonstante enthält somit nur die summarische Information beider Effekte und kann nicht zur Aufklärung von Mechanismen herangezogen werden. Die Berücksichtigung der Aktivitätskoeffizienten wird es nun erlauben, die Druck- und Osmolyt-Effekte dem Enzym bzw. den Reaktanden zuzuordnen uns wesentlich zum Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen beitragen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 1979: Erforschung der Dynamik biomolekularer Systeme durch Druckmodulation