Zur Hauptnavigation springen Direkt zum Inhalt springen

Logo: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - zur Startseite Deutsche Forschungsgemeinschaft

Information für die Wissenschaft Nr. 43 | 19. Juli 2018
Schwerpunktprogramm „Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen“ (SPP 1934)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im Jahr 2015 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen“ (SPP 1934) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen. Die DFG lädt hiermit ein zur Antragstellung für die zweite dreijährige Förderperiode.

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 Antrages definieren sich komplexe hochmolekulare biogene Stoffe als Proteine sowie agglomerierte beziehungsweise aggregierte biogene Systeme aus Proteinen (Proteincluster, Proteinkristalle) 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 in Struktur und 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. 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 (z. B. Enzyme, Antikörper)

Zur Beschreibung des Verhaltens der hochmolekularen Proteine unter mechanischer, thermischer und/oder chemischer Belastung, die entlang der verfahrenstechnischen Prozesskette bei der Aufarbeitung (z. B. Chromatografie, Membranfiltration) und Weiterverarbeitung (z. B. 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. 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 (z. B. 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.

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 (z.B. Separatoren, Filterapparate) und Weiterverarbeitung/Formulierung (z. B. Emulgierung) sowie die zugehörigen Prozesse.

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.

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.

Reichen Sie Ihren Antrag für die zweite Förderphase bitte bis spätestens 28. November 2018 bei der DFG ein. Die Antragstellung erfolgt ausschließlich über das elan-Portal zur Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten. Sofern Sie beabsichtigen, einen Neuantrag einzureichen, wählen Sie bitte unter „Antragstellung – Neues Projekt – Schwerpunktprogramm“ im elektronischen Formular aus der angebotenen Liste „SPP 1934 – Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen“ aus.

Handelt es sich bei dem Antrag innerhalb dieses Schwerpunktprogramms um Ihren ersten Antrag bei der DFG, beachten Sie, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Ohne Registrierung bis zum 23. November 2018 ist eine Antragstellung nicht möglich. Bitte wählen Sie im Registrierungsformular bei den abschließenden Angaben ebenso wie bei der Antragstellung Ihr Schwerpunktprogramm aus der angebotenen Liste der Ausschreibungen aus. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag.

Antragstellerinnen und Antragsteller, die bereits gefördert werden und einen Fortsetzungsantrag stellen wollen, müssen den Antrag über die Registerkarte „Antragstellung – Antragsübersicht/Fortsetzungsantrag“ einreichen. Hier wird Ihr in der Förderung befindliches Projekt angezeigt, und Sie können Ihren Fortsetzungsantrag stellen.

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. Bitte senden Sie ein weiteres Exemplar des Antrags in elektronischer Form an den Koordinator des Programms.

Das Begutachtungskolloquium des Schwerpunktprogramms wird am 20. Februar 2019 in Braunschweig stattfinden.

Weiterführende Informationen

Detaillierte Informationen zum Schwerpunktprogramm erhalten Sie im Internet unter:

Das elan-Portal der DFG zur Einreichung der Anträge finden Sie unter:

Die Merkblätter DFG-Vordruck 50.05 und 54.01 stehen unter:

Inhaltliche Fragen beantwortet Ihnen der Koordinator des Schwerpunktprogramms:

  • Professor Dr.-Ing. Arno Kwade,
    Technische Universität Braunschweig,
    Fakultät für Maschinenbau,
    Institut für Partikeltechnik,
    Volkmaroder Str. 5,
    38104 Braunschweig,
    Tel. +49 531 391-9610, 
    Link auf E-Maila.kwade@tu-bs.de

Auskünfte zur Antragstellung bei der DFG erteilen:

Hinweis:

Diese "Ausschreibung - Information für die Wissenschaft" ist unter Externer Linkwww.dfg.de/foerderung/info_wissenschaft/2018/info_wissenschaft_18_43/
erreichbar. Bitte verwenden Sie ausschließlich diese URL, um das Dokument zu zitieren oder per Link einzubinden.