Erhöhung der Performance eines gentechnisch hergestellten Klebstoffs für feuchte Anwendungen durch computergestützte und experimentelle Methoden

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Herrmann
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464907394

Obwohl Wundklebstoffe in dynamischen und nassen Umgebungen des Körpers für klinische Anwendungen wie die Chirurgie von größter Bedeutung sind, stellen diese immer noch eine technische Herausforderung dar. Natürliche Meeresorganismen haben die Inspiration geliefert, um Unterwasserkleber zu entwickeln, die hohe mechanische Stabilität und hohe Flexibilität vereinen können, um kontinuierlichen mechanischen Belastungen und hohen Ionenstärken in Gegenwart von bewegten Flüssigkeiten und Oberflächen zu widerstehen. Trotz der komplizierten biologischen Mechanismen und Chemie, basiert der primäre zugrundeliegende Mechanismus für die Adhäsion in Meeresorganismen auf komplexer Koazervation - angetrieben durch elektrostatische Wechselwirkungen, gefolgt von der Reifung zu einer festen Phase - angetrieben durch Wechselwirkungen mit kurzer Reichweite. Komplexe Koazervation tritt auf, wenn sich zwei entgegengesetzt geladene Polyelektrolyte vermischen, die einen Liquid-Liquid Phasenübergang durchlaufen. Synthetische Polyelektrolyte und natürliche oder rekombinante Proteine wurden ausgiebig untersucht, um diesen natürlichen Mechanismus zu imitieren. Sie konnten jedoch oft keine starken Adhäsionskräfte unter Umgebungsbedingungen ausbilden. Dies ist hauptsächlich auf den geringen Grad der strukturellen Modifizierbarkeit zurückzuführen, einschließlich der Ladungsdichte und -verteilung oder der präzisen Einstellung der molekularen Wechselwirkungen usw., was unser Verständnis der Adhäsion auf molekularer Ebene erschwert. Um diese Herausforderungen zu überwinden, stellen wir eine Familie von sequenzdefinierten supercharged Polypeptiden (SUPs) vor und untersuchen die strukturellen Anforderungen zur Verbesserung ihrer Haftleistung. SUPs bestehen aus einer sich wiederholenden Aminosäuresequenz, die in jeder repetitiven Einheit einen geladenen Rest (X) enthält ((VPGXG)n X:Lysin oder Arginin). Unser Ziel ist es zu zeigen, wie die Veränderung der Architektur und Zusammensetzung von SUPs ihre mechanischen Eigenschaften beeinflusst und diese Merkmale zu optimieren, um die Unterwasserhaftung zu verbessern. Dies erfordert ein empfindliches Gleichgewicht auf mehreren Zeit- und Längenskalen zwischen verschiedenen Arten von molekularen Wechselwirkungen. Das Projekt ist in drei Hauptziele unterteilt: (1) Synthese von SUPs und Kodierung verschiedener Arten von molekularen Wechselwirkungen in deren Strukturen, (2) Untersuchung der Adhäsionsleistung von SUP-basierten komplexen Koazervaten auf makroskopischer Skala und (3) Aufklärung des Adhäsionsmechanismus auf molekularer Ebene und Verbesserung der Adhäsion durch eine wiederholte Rückkopplung zwischen Synthese, Charakterisierung und Computersimulation. Unser Ziel ist es, die molekularen Parameter der SUPs einschließlich Molmasse, Ladungsdichte und Ladungsverteilung, Topologie sowie Chemie genau zu kontrollieren, um ein umfassendes Modell zu entwickeln und die Nasshaftungseigenschaften vorherzusagen und so zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Igor Potemkin