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C7 Protein-Aufreinigung mit funktionalisierten magnetischen Nanopartikeln

(Garnweitner/Schilling)

Eine der größten Schwierigkeiten in der Biotechnologie stellt das „Downstream processing“ dar, also die selektive und effiziente Aufreinigung des gewünschten Zielprodukts. Eine vielversprechende Technologie als Alternative zu chromatographischen Trennverfahren ist die Magnetseparation, die eine selektive Abtrennung des Produkts direkt aus dem Kulturmedium mit Hilfe funktionaler magnetischer Partikel ermöglicht.
Im Rahmen des Teilprojekts C7 soll ein hoch effizientes, selektives und durch Regenerierbarkeit kosteneffizientes Magnetseparationssystem zur Abtrennung der Zielproteine des SFB 578, rekombinanter Antikörper und Glycosyltransferasen, nutzbar gemacht werden. Dazu werden am Institut für Partikeltechnik magnetische Eisenoxid-Nanopartikel (MNPs) durch ein neuartiges nichtwässriges Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Dieses erlaubt eine sehr kontrollierte Synthese unter gezielter Steuerung der Partikeleigenschaften, sodass die erhaltenen Nanopartikel einen hohen Grad an Homogenität aufweisen und dadurch definierte magnetische Eigenschaften besitzen.

Eisenoxid-Nanopartikel besitzen erstaunliche Eigenschaften, die im makroskopischen Festkörper nicht beobachtet werden: Partikel kleiner als 30 nm weisen kein zeitlich konstantes magnetisches Moment auf, was bedeutet dass die Partikelpulver scheinbar paramagnetisch sind („Superparamagnetismus“). Unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes richten sich die magnetischen Momente der Einzelpartikel aber aus, und die Partikel können durch das Feld manipuliert werden.

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Dieses Materialverhalten kann zur Aufreinigung biologischer Makromoleküle genutzt werden: Ohne äußeres Magnetfeld zeigen die Partikel keine Wechselwirkung zueinander und bilden eine stabile Dispersion, also besitzen sie eine sehr hohe spezifische Oberfläche zur Wechselwirkung mit dem Zielprotein. Beim Anlegen eines externen magnetischen Feldes werden die Partikel fixiert, was die Abtrennung von ungebundenen Fremdstoffen erlaubt. Nach Abschalten des Feldes und Freisetzung des Produkts werden sowohl das aufgereinigte Makromolekül als auch die magnetischen Partikel erhalten. Durch Recyclingfähigkeit der magnetischen Partikel sollen die Kosten eines solchen Aufreinigungsverfahrens deutlich gesenkt werden, um gute Perspektiven für einen kommerziellen Einsatz zu liefern.

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Diese Strategie erfordert kleine magnetische Nanopartikel (10-20 nm), die entsprechend funktionalisiert sind, um eine spezifische Bindung zu den Zielproteinen zu ermöglichen und eine stabile Dispersion in Wasser zu bilden. Im Rahmen dieses Teilprojekts soll ein Baukastensystem realisiert werden, um durch die Anwendung hoch spezifischer Wechselwirkungen einen optimalen Aufreinigungserfolg zu erzielen.

Am Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik werden Geometrie und Aufbau einer magnetischen Säule zur effizienten Separation von Partikeln und Zellbestandteilen entwickelt. Die Gradientenstärke, die magnetische Feldstärke, Länge der Laufstecke und Durchflussgeschwindigkeit der Säule werden optimiert. Dadurch soll die Aufreinigungsselektivität und Regenerierungseffizienz komplementär zur Optimierung der Nanopartikel noch gesteigert werden.

 

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