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Information für die Wissenschaft Nr. 39 | 9. Juni 2015
Schwerpunktprogramm „Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen – DiSPBiotech“ (SPP 1934)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen – DiSPBiotech“ (SPP 1934) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen.

Schon heute werden unterschiedlichste Produkte biotechnologisch hergestellt, das tatsächliche Potenzial ist aber insbesondere aufgrund der Komplexität hochmolekularer biogener Stoffe und lebender Zellen noch lange nicht ausgeschöpft. Im Kontext dieses Antrags definieren sich komplexe hochmolekulare biogene Stoffe als Proteine sowie agglomerierte beziehungsweise aggregierte biogene Systeme aus Proteinen (Proteincluster, -kristalle) und Zellen (Zellverbände, Sporenaggregate) – im Folgenden übergreifend als Bioagglomerate bezeichnet. Eine der größten Herausforderungen für eine effizientere biotechnologische Produktion – Synthese, Aufarbeitung und Formulierung – von Proteinen und Proteinagglomeraten sowie die Nutzung von Zellverbänden und Sporenaggregaten ist die gezielte Kontrolle und Steuerung der komplexen, das heißt insbesondere mechanischen, aber auch thermischen und stofflichen (biologisch und chemisch) Beanspruchung dieser Systeme durch die Prozessumgebung. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber diesen Beanspruchungen in der verfahrenstechnischen Prozesskette im Vergleich zu chemisch hergestellten niedermolekularen Molekülen sowie anorganischen Partikeln ergeben sich stoffliche Veränderungen wie zum Beispiel Struktur, Oberflächeneigenschaften oder sogar Änderungen in der Produktivität von Zellverbänden.

Es ist daher unumgänglich, sowohl ein fundiertes Verständnis der prozesstechnisch bedingten Beanspruchungen selbst zu generieren als auch eine Brücke zu spannen, die die komplexen Stoffeigenschaften und das Prozessverhalten dieser Systeme für eine verfahrenstechnische Beschreibung mittels bestehender Modelle zugänglich macht. Eine Lösung dieser Herausforderungen kann nur gelingen, wenn moderne experimentelle, analytische, statistische und numerische Methoden verknüpft und potenzielle Analogien zwischen der gut verstandenen chemischen Herstellung niedermolekularer Produkte und biotechnologisch hergestellten hochmolekularen Produkten ausgenutzt werden. Gelingt die verfahrenstechnische Beschreibung der Produktionsprozesse, ergibt sich zudem die Möglichkeit, in einem Kreisschluss über systembiologisches Modellieren der zellulären Prozesse und gezieltes molekularbiologisches Verändern der jeweiligen Produkte diese auf die Beanspruchungen (thermisch, mechanisch, chemisch) in einer modernen Prozessumgebung anzupassen. Zur Beschreibung der Auswirkung unterschiedlicher Beanspruchungen auf die biologisch hergestellten Produkte sollen – zum Teil erstmalig – neuartige molekulare und systembiologische (insbesondere molekulare Deskriptoren und hochauflösende Proteinanalytik), partikeltechnische sowie hochauflösende Modellierungs- und Simulationsmethoden auf unterschiedlichen Skalen eingesetzt und kombiniert werden.

Die prozessbedingten thermischen, stofflichen und insbesondere mechanischen Wechselwirkungen von Proteinen und Bioagglomeraten mit der Prozessumgebung entlang der verfahrenstechnischen Prozesskette und deren Wirkung auf Dispersität, Struktur und Phase der genannten biogenen Produkte sowie deren mikrobiologische Anpassung an die Prozessumgebung stehen im Zentrum des Schwerpunktprogramms, das in die folgenden drei Skalen beziehungsweise Programmbereiche gegliedert ist:

1) Proteine (zum Beispiel Enzyme, Antikörper)

Zur Beschreibung des Verhaltens der hochmolekularen Proteine unter mechanischer, thermischer und/oder chemischer Belastung, die entlang der verfahrenstechnischen Prozesskette bei der Aufarbeitung (zum Beispiel Chromatografie, Membranfiltration) und Weiterverarbeitung (zum Beispiel Extrusion, Ultrafiltration/Diafiltration) auftreten, soll untersucht und geklärt werden, inwieweit durch die Kombination von molekularen Deskriptoren, partikeltechnischer Charakterisierung und hochauflösender Prozessmesstechnik die Systeme für gängige Modelle der Ingenieurwissenschaften beschreibbar gemacht werden können. Molekular betrachtet lassen sich die meisten Vorgänge durch eine Kombination von Strukturänderungen, induzierten Protein-Protein- oder Protein-Oberflächen/Grenzflächen-Wechselwirkungen und damit verbundenen Phasenänderungen beschreiben. Diese Beschreibung soll zudem genutzt werden, um über gezieltes molekularbiologisches Verändern der Proteine die Struktur-Wirkungs-Beziehungen im Hinblick auf die Stabilität und Integrität der biologischen Moleküle im prozesstechnischen Umfeld zu gestalten. Durch die Verbindung von molekularbiologischen und verfahrenstechnischen Prinzipien wird eine systematische Herangehensweise für die zielgerichtete Prozessierung und das Design von biotechnologisch hergestellten Produkten ermöglicht.

2) Bioagglomerate (Proteincluster und -kristalle, Sporen- und Zellverbände)

Durch die Beschreibung der Wechselwirkungen der biologischen Moleküle und Partikel (Sporen, Zellen) untereinander sowie mit der Umgebung und damit die Beschreibung der Grenzflächen- beziehungsweise Oberflächenkräfte unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (zum Beispiel pH-Wert, Salzgehalt, Temperatur und Druck) lassen sich die Bildung und Stabilität der Bioagglomerate betrachten. Zum einen soll ein quantitatives Verständnis erlangt werden, wie Zellverbände auf molekularer Ebene konkret durch die Wechselwirkungen betroffen werden und wie durch die gezielte Steuerung der Agglomeration von Sporen und Hyphen die Produktivität gesteigert werden kann. Potenzial bietet zudem die gerichtete Protein-Protein-Interaktion bei der Bildung von Proteinclustern wie zum Beispiel virusartige Partikel (VLP), Amyloiden oder Proteinkristallen. Aufgrund ihrer Komplexität sind sowohl Proteincluster als auch Proteinkristalle sehr empfindlich gerade gegenüber mechanischen Belastungen bei der Aufarbeitung und Formulierung. Wie stark diese hochmolekularen Proteincluster beansprucht werden dürfen, insbesondere auch bei Kombination unterschiedlicher Beanspruchungen, und wie diese Proteinkristalle mit anderen Oberflächen und Partikeln (zum Beispiel bei der Formulierung zu Arzneimitteln) wechselwirken soll erforscht werden. Die Entwicklung mechanistischer Modelle steht statt bislang vorherrschender empirischer Beziehungen im Vordergrund.

3) Prozessumgebung

Auf Ebene der in den Apparaten und Maschinen makroskopisch ablaufenden Prozesse liegt der Fokus auf der detaillierten Ermittlung der Beanspruchungen der biologisch hergestellten Produkte (Proteine und Bioagglomerate) durch die Prozessumgebung. Zu betrachtende Prozessumgebungen sind insbesondere Bioreaktoren, Apparate und Maschinen zur Separation und Aufreinigung der Proteine (zum Beispiel Separatoren, Filterapparate) und Weiterverarbeitung/Formulierung (zum Beispiel Emulgierung) sowie die zugehörigen Prozesse. Grundlage für die Ermittlung der Beanspruchungen sind vor allem hochaufgelöste Simulationsmethoden auf Basis CFD oder der Diskrete-Elemente-Methode (DEM), aber auch hochaufgelöste Messungen auf Mikro- und Meso­skala in den Prozessen. Die Ermittlung der auf die Proteine und Bioagglomerate wirkenden Beanspruchungen ist wichtig für die realistische Betrachtung der Vorgänge auf Mikro- und Mesoebene sowie für die Vorhersage der Strukturänderung von Proteinen und Bioagglomeraten entlang der biotechnologischen Prozesskette.

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms sollen nicht untersucht werden:

  • das Verhalten von vereinzelt vorliegenden Zellen – unter anderem reagieren diese deutlich stärker auf thermische und stoffliche (chemische und biologische) Wechselwirkungen als auf mechanische Effekte;
  • medizinische Anwendungen von Zellen und Proteinen wie das Tissue Engineering;
  • rein makroskopische Betrachtungen der biotechnologischen Prozesse, das heißt experimentelle Betrachtungen oder auch CFD-Simulationen allein auf Apparateebene ohne Betrachtung biologischer Strukturen auf Mikroebene.

Als Ergebnis der stark vernetzten Forschungsarbeiten innerhalb des Schwerpunktprogramms kann das Verhalten ausgewählter Proteine und Bioagglomerate auf Grundlage der mechanistischen Kenntnis der Wechselwirkungen dieser Proteine und Bioagglomerate miteinander und mit der Umgebung quantitativ beschrieben werden. Die Herstellung ausgewählter Proteine und Bioagglomerate soll innerhalb eines zentralen Projekts in Absprache mit allen Programmpartnern (in einem Kick-off-Kolloquium nach Bewilligung der Einzelanträge) erfolgen. Als mögliche „Modellproteine“ insbesondere für Untersuchungen zur Verarbeitung kommen zum Beispiel Invertase, Alkoholdehydrogenase, a-Lactalbumin und b-Lactoglobulin in Frage, die kommerziell erhältlich und deren Denaturierung durch gängige Verfahren nachweisbar ist. Systeme für unter anderem adsorptive Untersuchungen bilden Cytochrom C, Ribonuclease A und Lysozym. Für die Arbeiten zur Kristallisation von Proteinen können, neben den oben angeführten Modellproteinen, gut charakterisierbare Proteine wie zum Beispiel Antikörperfragmente eingesetzt werden. Für die Untersuchungen der Weiterverarbeitung von Proteinkristallen sollten schon gut bekannte Proteinkristalle wie zum Beispiel Lysozym oder Ovalbumin verwendet werden. Auf dem Gebiet der Proteincluster sollen vor allem VLP-Systeme untersucht werden. Als Modellsysteme für Zellverbände kommen insbesondere myzelartig wachsende Pilze der Gattungen Aspergillus und Streptomyces infrage.

Durch Kopplung der Wechselwirkungseigenschaften dieser Proteine und Bioagglomerate mit den Beanspruchungen durch die Prozessumgebung kann dann deren Verhalten in den einzelnen Prozessen von der Kultivierung bis hin zur Verarbeitung zu einem Produkt quantitativ beschrieben werden. Mit diesem Wissen und diesen Methoden können die biotechnologischen Prozesse innerhalb der verfahrenstechnischen Prozesskette deutlich gezielter gesteuert sowie Proteine im Hinblick auf das Prozessumfeld angepasst und damit die Produktqualität und/oder die Produktivität deutlich gesteigert werden.

Antragstellerinnen und Antragsteller werden zunächst gebeten, Antragsskizzen bis spätestens 31. Juli 2015 (max. 2 Seiten; kurze Themenbeschreibung, Angabe zu den Antragstellenden, grobe Schätzung zu den gewünschten Mitteln) für die erste Förderperiode (3 Jahre) in elektronischer Form (pdf-Format) an die DFG-Geschäftsstelle und den Koordinator des Schwerpunkts zu senden. Die Antragsskizzen dienen der Vorbereitung des Antragskolloquiums. Sollte eine sehr große Anzahl von Antragsskizzen eingereicht werden, behält sich die Geschäftsstelle vor, anhand der Antragsskizze und unter Beteiligung von Gutachtern eine Vorauswahl von Skizzen zu treffen, die zur Abfassung eines Vollantrages aufgefordert werden.

Bezüglich der Einreichung der Vollanträge erhalten Sie aufgrund der Anmeldung über die Antragsskizze ein Aufforderungsschreiben mit den Angaben zur Antragstellung und den genauen Terminen. Die Vollanträge müssen voraussichtlich bis Anfang November 2015 elektronisch eingereicht werden. Die Antragstellung erfolgt über das elan-Portal zur Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten. Bitte wählen Sie aus der angebotenen Liste „SPP 1934“ aus. Berücksichtigen Sie bitte beim Aufbau Ihres Antrags das DFG-Merkblatt 54.01 zu Sachbeihilfen mit Leitfaden für die Antragstellung und die Hinweise im Merkblatt Schwerpunktprogramm 50.05, Teil B – Allgemeine Informationen zur Antragstellung (insbesondere zur Antragsberechtigung und zu den beantragbaren Mitteln).

Handelt es sich bei dem Antrag innerhalb dieses Schwerpunktprogramms um Ihren ersten Antrag bei der DFG, berücksichtigen Sie bitte, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag. Ohne vorherige Registrierung ist eine Antragstellung nicht möglich.

Die Begutachtung des Schwerpunktprogramms wird voraussichtlich im Januar 2016 stattfinden.

Weiterführende Informationen

Weitere Informationen zum Schwerpunktprogramm sind zu finden unter:

  • DiSPbiotech.tu-bs.de 
    (Seite befindet sich im Aufbau, aktiv vermutlich Ende Juni 2015)

Den Zugang zur Antragstellung über das elan-Portal finden Sie unter:

Die zu verwendenden DFG-Formulare und Merkblätter stehen unter:

Inhaltliche Fragen beantwortet Ihnen der Koordinator des Schwerpunktprogramms:

  • Prof. Dr.-Ing. Arno Kwade,
    TU Braunschweig,
    Institut für Partikeltechnik,
    Tel. +49 531 391-9610,
    a.kwade@tu-bs.de

Fragen zur Antragstellung beantworten Ihnen die DFG-Ansprechpersonen:

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