Amyloide Proteinaggregate aus β-Lactoglobulin und deren Verhalten entlang der Prozesskette

• Antragstellerinnen: Dr. Julia Keppler; Professorin Dr. Karin Schwarz; Dr. Anja Steffen-Heins
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315456892

Amyloide Aggregate kommen ubiquitär in der Natur vor und weisen charakteristisch eine gestapelte β-Faltblatt–Konformation auf. Amyloide Aggregate aus Molkenprotein β-Lactoglobulin (BLG) können gezielt produziert werden, um sich ihre veränderten physikochemischen Eigenschaften als funktionelle Substanz zu Nutze zu machen. In dieser Projektphase stehen als maßgebliche Einflussfaktoren der Aggregation denaturierende Bedingungen, die durch hohe Temperaturen, Grenzflächen und/oder Hochdruck induziert werden im Vordergrund. Gleichzeitig werden Beanspruchungsenergien (Scherung, Hochdruck) sowie sich ändernde Konzentrationen und Wassergehalte beim Trocknen hinsichtlich ihrer destabilisierenden Wirkung auf die Aggregate untersucht. Die Größenprofile von amyloiden Aggregaten werden deshalb einerseits eine erhebliche Breite aufweisen und anderseits auch erheblichen Schwankungen unterliegen. Für die Prozesskontrolle ist es daher notwendig, das Aggregationsverhalten und die (de)stabilisierenden Faktoren von amyloiden BLG-Aggregaten zu verstehen, um definierte amyloide Strukturen in biotechnologischen Prozessen anzuzielen. Ausgehend vom Selbstassoziationsprozess von BLG in einer homogenen Lösung soll in vereinfachten Modellen der Prozessverlauf vom Lösen des BLG bis zur Trocknung nachgestellt werden. Es sollen unterschiedliche Morphologien amyloider Aggregate aus BLG (Fibrillen, wurm-artig, sphärisch) untersucht werden, um ein Verständnis über ihre jeweilige Zusammensetzung, Bildung und Stabilität zu erhalten. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Analyse der Auswirkungen von physikalischen und chemischen Modifikationen, die in der Prozesskette relevant sind (z.B. modifizierte Grenzflächen und Scherung sowie der Einfluss von Proteinoxidation). Durch gezielte Mutationen von amyloidogenen Abschnitten und strukturstabilisierenden Disulfidbrücken des BLG soll erstmals experimentell und in Kopplung mit numerischer Simulation die Bedeutung einzelner Aminosäuresequenzen für die Selbstassoziation verstanden werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung von destabilisierenden und stabilisierenden Kräften während der Trocknung und Filmbildung unterschiedlicher amyloider Aggregate. Insbesondere veränderte Grenzflächen (Eis/Luft), pH-Wert Veränderungen und Konzentrierung verbleibender Salze werden als relevant angesehen. Daher soll erstmals der Einfluss unterschiedlich schneller Trocknungsverfahren sowie der von stabilisierenden Additiven (Kryokonservierungsmittel, Plastifizierer) bei der Trocknung und Filmbildung amyloider Strukturen vom mesoskaligen (amyloides Aggregat) bis hin zum makroskaligen Bereich (Ausrichtung der amyloiden Aggregate im Film) analysiert werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1934: Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen
• Internationaler Bezug: Niederlande