Experimental Determination of Melting Properties of Biological Compounds for Better Solubility Predictions

• Applicants: Dr. Yeong Zen Chua; Privatdozent Dr.-Ing. Christoph Held
• Subject Area: Technical Thermodynamics ; Chemical and Thermal Process Engineering
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 327337994

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

In Aufarbeitungsschritten von Aminosäuren und Peptiden ist die Kristallisation immer noch der meist verwendete Trennschritt, für den jedoch die Kenntnis über die Löslichkeit zwingend erforderlich ist. Da die Bestimmung von experimentellen temperaturabhängigen Löslichkeitsdaten zeitaufwendig und teuer ist, ist die Modellierung der Löslichkeit auf Basis physikalischer Eigenschaften wie z.B. der Schmelzeigenschaften der Reinstoffe ein wichtiges ingenieurstechnisches Werkzeug. Leider ist die direkte Bestimmung von Schmelzeigenschaften für Biomoleküle mit herkömmlichen Kalorimetern (DSC) aufgrund der Zersetzung der Aminosäuren und Peptide beim Aufheizen nicht möglich. Die Schmelzeigenschaften wurden bisher als anpassbare Modell-Parameter betrachtet und oft durch die Anpassung an Löslichkeitsdaten bestimmt. Stand der Technik zu Löslichkeit von Peptiden war es, dass bisher nur Daten zu einigen ausgewählte Peptiden vorhanden waren, allerdings ein Grundverständnis zum Löslichkeitsverhalten gänzlich fehlte, z.B. im Vergleich zu Aminosäuren oder Isomerenbetrachtung. In diesem Projekt wurde die Fast Scanning Calorimetry (FSC) mit Heizraten mit bis zu 20 000 K s^-1 eingesetzt, um die Schmelzeigenschaften von 20 proteinogenen Aminosäuren und 22 Peptiden zu messen. Ein Schwerpunkt lag auf isomeren Dipeptiden und Tripeptiden auf Basis von Glycin, L-Alanin, L-Leucin, L-Prolin und L-Serin. Die experimentelle Bestimmung der Löslichkeit dieser Stoffe erfolgte mit der photometrischen Methode (UV/Vis-Spektrometer) und der gravimetrischen Methode an übersättigten Lösungen (Wasser und Wasser + 2-Propanol). Zusätzlich wurden der pH-Wert und die Kristallstruktur der Peptide bestimmt, um die neutrale Spezies in Lösung sicherzustellen und Kristallstrukturänderungen in der festen Phase während den Löslichkeitsversuchen auszuschließen. Die experimentellen FSC- gemessenen Schmelzeigenschaften wurden als Input-Daten für das thermodynamische Modell PC-SAFT verwendet, um die Peptidlöslichkeit in Wasser zu modellieren. Die PC-SAFT Reinstoffparameter der Peptide wurden nach einer in dieser Arbeit eingeführten Methode (wJPM) bestimmt. Dieser Ansatz erlaubt es, die Reinstoffparameter eines Peptids durch Zusammenfügen der Reinstoffparameter der Stammaminosäuren zu ermitteln, sprich es wurde ein semi-prediktiver Ansatz zur Löslichkeitsmodellierung generiert. In diesem Projekt wurden erstmals die Aktivitätskoeffizienten basierend auf experimentell ermittelten Schmelzeigenschaften quantifiziert. Die modellierte Löslichkeit war in sehr guter Übereinstimmung mit der experimentellen Löslichkeit in wässrigen Lösungen.

Publications

• New experimental melting properties as access for predicting amino-acid solubility. RSC Adv. 2018, 8, 6365–6372
  Chua, Y. Z.; Do, H. T.; Schick, C.; Zaitsau, D.; Held, C.
  
• Melting properties of peptides and their solubility in water. Part 1: dipeptides based on glycine or alanine. RSC Adv. 2019, 9, 32722–32734
  Do, H. T.; Chua, Y. Z.; Habicht, J.; Klinksiek, M.; Hallermann, M.; Zaitsau, D.; Schick, C.; Held, C.
  
• Melting properties of amino acids and their solubility in water. RSC Adv. 2020, 44205–44215
  Do, H. T.; Chua, Y. Z.; Kumar A.; Pabsch, D.; Hallermann, M.; Zaitsau, D.; Schick, C.; Held, C.
  
• Melting properties of peptides and their solubility in water. Part 2: di- and tripeptides based on glycine, alanine, leucine, proline and serine. Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 12, 4693–4704
  Do, H. T.; Chua, Y. Z.; Habicht, J.; Klinksiek M.; Volpert, S.; Pabsch, D.; Hallermann, M.; Thome, M.; Zaitsau, D.; Schick, C.; et al.