Phasenseparation und dynamischer Arrest in Proteinlösungen

• Antragsteller: Dr. Florian Platten
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420474065

Kolloide mit kurzreichweitigen Attraktionen weisen ein äußerst reiches thermodynamisches und dynamisches Verhalten auf. Dies umfasst u.a. metastabile Flüssig-Flüssig-Phasenseparation, die innerhalb des Flüssig-Fest-Koexistenzbereichs verborgen ist, sowie dynamischen Arrest. Gemäß des erweiterten Gesetzes der korrespondierenden Zustände (ELCS) folgen alle Systeme dieser Art derselben Zustandsgleichung, die nur von drei reduzierten Parametern abhängt, nämlich von Dichte, Temperatur und zweitem Virialkoeffizienten. Es ist behauptet worden, dass das ELCS sogar alle thermodynamischen und dynamischen Eigenschaften dieser Systeme festlegt. Allerdings wurde die umfassende Vorhersagekraft des ELCS noch nicht experimentell untersucht. Dies liegt insbesondere am mangelnden Wissen über die Rolle des dynamischen Arrests und der kollektiven Dynamik in der Nähe von Phasengrenzen. Proteinlösungen, in denen kurzreichweitige Attraktionen vorherrschen, stellen ein geeigntes experimentelles Modellsystem zur Untersuchung kritischer Phänomene und von Nichtgleichgewichtsverhalten dar. Wir werden uns auf Proteinlösungen konzentrieren, die sich Phasenseparation und Arrest annähern. Durch Lichtstreuung und digitale Fourier-Mikroskopie sollen ihre statischen Strukturfaktoren und intermediären Streufunktionen auf der Längenskala der Kondensation ermittelt werden. Außerdem soll die Nichtgleichgewichtsentwicklung dieser Größen beobachtet werden, nachdem das System in den metastabilen oder instabilen Bereich gekühlt worden ist. Auf diese Weise sollen die Mikrostrukturprozesse aufgeklärt werden, die Phasenseparation und Arrest steuern. Unsere Experimente zur Struktur, Dynamik und Kinetik von Systemen mit kurzreichweitigen Attraktionen stellen also eine Grundlage für eine eingehende Prüfung der Vorhersagekraft des ELCS und seiner Grenzen dar. Diese Arbeit wird daher zu einem tieferen Verständnis von Kondensationsphänomenen in Proteinlösungen beitragen und könnte nicht nur für die statistische Physik, sondern auch für die Medizin, die pharmazeutische Industrie und die Lebensmittelchemie bedeutsam sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen