Orthogonale Funktionalisierung von Porengrenzflächen in Papiervliesen mittels immobilisierter, thermisch stabiler Peptide

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Biesalski; Professor Dr. Harald Kolmar
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405581212

Um Papier für bioanalytische Anwendungen zu nutzen, ist es notwendig Sensormoleküle, in der Regel Enzyme oder Bindeproteine, auf der Papieroberfläche zu immobilisieren. Papierfasern bieten mit den OH-Gruppen der Cellulose zwar zahlenmäßig sehr viele, jedoch chemisch wenig differenzierbare und nicht direkt adressierbare Angriffspunkte für eine Immobilisierung der vorgenannten Moleküle. Daher ist eine chemische Vorbehandlung der Papierfasern oder Papiere notwendig, die mit Blick auf die Möglichkeiten der kontrollierten Derivatisierung, die Beladungsdichte an Biomolekülen, deren Aktivität und den weiteren Einsatz der Papiere in der Bioanalytik nicht trivial ist. Insbesondere ist es mit herkömmlichen chemischen Konjugationsverfahren nicht möglich, Biomoleküle gerichtet auf der Oberfläche von Papierfasern so zu immobilisieren, dass eine gleichartige Ausrichtung der Proteinliganden auf der Matrix in dichter Besetzung resultiert. In diesem Vorhaben soll ein allgemein anwendbares Verfahren zur gerichteten Konjugation von bioaktiven Proteinen an Papierfasern entwickelt werden, das auf einer speziellen Vorfunktionalisierung von Papierfasern mit Peptiden als Ankermoleküle beruht. Diese sind im Gegensatz zu den meisten Proteinen thermostabil und überstehen die hohen Temperaturen bei der Papierherstellung zum Trocknen der Faservliese unbeschadet. Eine ortsspezifische Immobilisierung von Biomakromolekülen erfolgt dann nach der Blattbildung im zweiten Schritt durch enzymkatalysierte Biokonjugation unter schonenden Bedingungen. Eine derartige Präfunktionalisierung von Papierfasern für die gerichtete kovalente Immobilisierung von Proteinen nach Blattbildung wurde bisher noch nicht systematisch angegangen. Ein wichtiges Ziel der Arbeit ist es zu verstehen, wie sich Fasertyp und -morphologie, sowie die Fasermodifikation auf die im Papier einzustellende Porosität und Papiervliesdichte einerseits und auf die Effizienz und Kontrolle der Biokonjugation andererseits auswirken. Es soll darüber hinaus untersucht werden, ob und wie eine Funktionalisierung der Fasern mit Peptiden die Papiereigenschaften, Hydrophobizität, Sorptionseigenschaften etc. beeinflusst. Dabei vereint das Projekt biochemische/bioanalytische mit papiertechnologischen und papierchemischen Fragestellungen. Längerfristig soll systematisch analysiert werden, wie sich einstellbare Papierspezifika auf die Aktivität von Enzymen und Antikörpern bei gleichartiger Immobilisierung auf der Papiermatrix auswirken. Insbesondere soll der Frage nachgegangen werden, welche chemischen Konjugationsverfahren zur Oberflächenmodifizierung von Papierfasern mit Peptiden und welche biokatalytischen Konjugationsstrategien der Proteine mit Blick auf Beladungsdichte und biologische Aktivität besonders geeignet sind. Mit diesen Erkenntnissen soll die Basis gelegt werden, um in weiterführenden Arbeiten langfristig mikrofluidische Papiere mit maßgeschneiderten biokatalytischen und Sorptionseigenschaften herzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen