Das Phasenverhalten von Proteinlösungen in elektrischen Feldern

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Kyongok Kang; Dr. Florian Platten
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495795796

Die Selbstorganisation von Proteinen ist für viele natürliche und industrielle Prozesse bedeutsam, z.B. für die Entstehung von Volkskrankheiten, das Wachstum von Proteinkristallen in Beugungsqualität, die Textur proteinbasierter Nahrungsmittel sowie die Rezeptur und Lagerung von Proteinarzneimitteln. Äußere elektrische Felder werden eingesetzt, um die Anzahl und Größe von Proteinkristallen zu beeinflussen, Amyloidfibrillen zu zerteilen oder proteinbasierte Nahrungsmittel zu konservieren. Sie können Proteinlösungen – ähnlich zu ihrem Effekt auf Polyelektrolyte – beeinflussen: durch die Polarisierung der Proteine und elektrischen Doppelschichten, inneren elektrischen Stress, hydrodynamische Reibungseffekte sowie die Ausrichtung von Proteinen. Allerdings ist der Effekt elektrischer Felder auf das kollektive Verhalten von Proteinlösungen bislang nicht systematisch erforscht worden. Insbesondere sind die Frequenz- und Feldstärke-Abhängigkeit der strukturellen und dynamischen Eigenschaften der Lösungen sowie der Phasengrenzen und das Auftreten durch das Feld hervorgerufener neuer Zustände, wie z.B. flüssig-kristalliner Bereiche oder linear ausgedehnter Aggregate, kaum untersucht worden. Dieses Projekt zielt darauf ab, ein grundsätzliches Verständnis des Phasenverhaltens von Proteinlösungen in elektrischen Feldern zu etablieren. Durch eine passende Wahl der zu untersuchenden Systeme und experimentellen Methoden streben wir an, uns ein möglichst umfassendes Bild davon zu machen. Dazu werden wir den Einfluss elektrischer Felder auf drei unterschiedliche Arten von Proteinlösungen betrachten: (A) Systeme, in denen kurzreichweitige Anziehungen vorherrschen; (B) Systeme, in denen zusätzlich langreichweitige Abstoßungen wichtig sind; und (C) binäre Proteinmischungen. Außerdem werden Modellproteine eingesetzt, die sich hinsichtlich Form, Größe, Flexibilität, Faltungsgrad, Konformationsstabilität und Oberflächeneigenschaften unterscheiden, und so für viele Proteine repräsentativ sind. Die kondensierten Zustände sollen auf verschiedenen Längenskalen untersucht werden: ihre vielfältigen Morphologien mit Lichtmikroskopie, der Form- und Strukturfaktor der Proteinlösungen mit Röntgenkleinwinkelstreuung, die kollektive Dynamik der Lösungen mit dynamischer Lichtstreuung sowie die Sekundär- und Tertiärstruktur einzelner Proteine mit Zirkulardichroismus-Spektroskopie. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Bildung durch das Feld hervorgerufener, neuer Zustände. Die experimentellen Ergebnisse werden in Zustandsdiagrammen zusammengefasst, auf deren Grundlage die Kinetik der Zustandsänderungen mit Hilfe von Streumethoden und Videomikroskopie untersucht werden soll. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden dazu beitragen, die Mechanismen der Steuerung von Proteinkondensationsprozessen durch elektrische Felder aufzuklären, und könnten daher nicht nur für die biophysikalische Chemie, sondern auch für die Medizin, die pharmazeutische Industrie und die Lebensmittelchemie bedeutsam sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Dänemark
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jan Skov Pedersen