Proteinkristallisation

  • Forschungsthema:Über die Mechanismen der sekundären Keimbildung bei der Kristallisation von Proteinen
  • Typ:Masterarbeit (konstruktiv, experimentell)
  • Datum:abgeschlossen
  • Betreuer:Barros Groß
  • Bearbeiter:Raphael Michenfelder
  • In Suspensionskristallisatoren wird die Kristallgrößenverteilung vor allem durch Keimbildungs- und Wachstumsvorgänge bestimmt. Je nach Prozessbedingungen ist in geimpften sowie in kontinuierlichen Kristallisationsprozessen die sekundäre Keimbildung der dominante Nukleationsmechanismus und so hauptverantwortlich für die resultierende Kristallgrößenverteilung und damit die Qualität des kristallinen Produktes. In der Literatur werden im Wesentlichen drei sekundäre Keimbildungsmechanismen beschrieben: zum einen können sekundäre Kristallkeime durch Abrieb von Fragmenten aus einem Mutterkristall bedingt durch Kollisionen des Kristalls, z.B. mit einem Rührerblatt, entstehen. Dieser mechanische Vorgang ist unabhängig von der Übersättigung der Suspension und tritt v.a. bei hohen Kollisionsenergien auf. Hingegen kann es bereits bei sehr geringen Kollisionsenergien zur Kontaktkeimbildung kommen. Hierbei entstehen Keime mit dem Ursprung aus der Lösung an der Oberfläche von bereits vorhandenen Kristallen, welche schließlich durch eine Kollision abgelöst werden. Dagegen werden die auf Kristalloberflächen entstandenen Keime bei der Scherkeimbildung durch Fluidscherkräfte abgelöst. Beide Mechanismen sind abhängig von der vorliegenden Übersättigung.

    Bedingt durch den stetig wachsenden Bedarf an therapeutischen Proteinen und industriellen Enzymen für die Pharma-, Lebensmittel- und biotechnologische Industrie gewinnt die Kristallisation dieser Makromoleküle zum Zwecke der Aufreinigung und Formulierung immer mehr an Bedeutung. Während die sekundäre Keimbildung von anorganischen und niedermolekularen organischen Kristallen schon häufiger Gegenstand der Forschung war, beschränken sich Keimbildungsuntersuchungen bei der Proteinkristallisation bislang fast ausschließlich auf die primäre Keimbildung in partikelfreien Lösungen.

    Aufgabe dieser Masterarbeit ist es, die beschriebenen sekundären Keimbildungsmechanismen auch für die Proteinkristallisation nachzuweisen und entscheidende Einflussgrößen herauszuarbeiten. Hierzu soll zunächst eine geeignete Methodik entwickelt und ein Versuchsstand aufgebaut werden. Anschließend sind Experimente zur Identifikation sekundärer Keimbildungsmechanismen vorgesehen.