EnzymAgglo - Multiskalige modellgestützte Untersuchungen funktionaler Enzym- und Proteinagglomerate für biotechnologische Anwendung – Teil 2: Von der Struktur zur Funktion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Heinrich; Professor Dr. An-Ping Zeng
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315394485

Das modellbasierte Verständnis der strukturbildenden Prozesse in multi-enzymatischen Systemen und Protein-Agglomerationen, sowie deren Zusammenhang zur Funktion (z.B. Aktivität) hat in den letzten Jahren immer größeres Interesse erhalten. Mit neuen Ansätzen in der Multiskalen-Modellierung und gesteigerten Rechenkapazitäten (insbesondere GPUs) rückt die Untersuchung und Vorhersage derartiger Phänomene in Reichweite. Um dies zu erreichen, haben wir erfolgreich in der ersten Förderperiode ein allgemein anwendbares multi-skaliges Modellframework, genannt “Molekulare Diskrete Elemente Methode (MDEM)” entwickelt. Der Schwerpunkt des Frameworks liegt auf der strukturellen Entwicklung dieser Systeme in der Abhängigkeit von Prozessbedingungen. Es ist auf makro-molekulare Skalen (ms und µm) anwendbar und wird in der restlichen Zeit der ersten Förderperiode fertig gestellt werden. Das MDEM-Framework erlaubt die Untersuchung von biologisch und technisch interessanten strukturellen Phänomenen, insbesondere aufgrund der erreichten Rechenbeschleunigung von 5-7 Größenordnungen im Vergleich zu Molekulardynamik (MD) bei Bewahrung des notwendigen Detailgrades. Das Framework wurde zunächst für den Pyruvat-Dehydrogenase-komplex (PDC) als Modellsystem etabliert, erhielt jedoch auch sehr positive Resonanz von SPP-Projektpartnern für die Anwendung auf zahlreiche andere Prozesse und Phänomene (z.B. Proteinabsorption an der Öl-Wasser Grenzfläche). Erste Kollaborationen wurden bereits begonnen und sollen in Zukunft weiter intensiviert werden. In der zweiten Projektphase wird der MDEM-Ansatz erweitert im Hinblick auf den Rückschluss von der Struktur zur Funktion, längere Zeit- und größere Längenskalen, sowie Anwendung bzw. Anpassung an neue Prozesse in Zusammenarbeit mit SPP-Projektpartnern. Zu diesem Zweck wird der MDEM-Ansatz zunächst mit einer Populationsbilanzmodellierung gekoppelt (z.B. für experimentelle Validierung, Parameterstudien). Des Weiteren werden die Protein-Interaktionen erweitert und verfeinert, um z.B. Hochdichteeffekte und kompetetive Bindungen abbilden zu können. Die Struktur-Funktionskopplung erfolgt durch Verbindung von MDEM mit numerischer Strömungsmechanik (CFD) und finitem Volumenverfahren (FVM) unter Berücksichtigung räumlich aufgelöster Enzymreaktionen und Diffusionskinetiken von Metaboliten. Weiters wird eine zusätzliche Abstrahierung zur Erstellung größerskaliger Modelle („MDEM-2“) durchgeführt, um die Prozessskala besser anzunähern: Hierfür werden stabil verbundene Einheiten (z.B. PDC-Kern) als Einzelpartikel vereinfacht und mittels Daten aus MDEM parametrisiert. Die experimentelle Rückkopplung erfolgt zum einen im Hause für katalytisch aktive multienzymatische Systeme; weiters werden umfangreiche Kooperationen mit SPP Projektpartnern vorangetrieben, um dem MDEM(-2)-Ansatz sowohl zu verfeinern als auch auf eine breite Variation von Prozessparametern zu erweitern und zu validieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1934: Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen
• Mitverantwortlich: Dr. Uwe Jandt