Forschung

Weiterer Forschungskontext Bakterielle Wirte werden häufig zur Herstellung rekombinanter Proteine verwendet, doch die industrielle Produktion leidet unter einem Engpass im Downstream-Processing: der weit verbreiteten Bildung unlöslicher Einschlusskörperchen in mikrobiellen Wirten durch die Akkumulation von Zielproteinen in inaktiven Aggregaten. Ziele Durch die Erforschung von Proteininteraktionen mit polyzwitterionisch gepfropften magnetischen Nanopartikeln zielen wir darauf ab, (i) Proteinaggregation zu verhindern, (ii) Aggregate abzulösen und (iii) die Proteinfaltung durch die bifunktionale, synergetische Kombination beider Komponenten zu fördern. Das Polymer baut nicht-kovalente Wechselwirkungen mit Proteinen auf und stört hydrophobe Protein-Protein-Interaktionen, während der magnetische Kern die Trennung erleichtert und die lokale Polymerkonzentration erhöht. Zudem können wir über die Nanopartikel mittels Wechselmagnetfeld lokal Wärme erzeugen, um hydrophobe Wechselwirkungen aufzubrechen. Ansatz Zunächst werden wir in WP1 mit zwitterionischen Polymeren beschichtete Kern-Schale-Nanopartikel chemisch und physikalisch synthetisieren und charakterisieren. In WP2 analysieren wir die Nanopartikel-Protein-Wechselwirkungen mittels isothereme Titrationskalorimetrie und bewerten die Hemmung der Falschfaltung, indem wir Proteine unter thermischem oder chemischem Stress in Gegenwart unserer Nanopartikel überwachen. In WP3 testen wir die Desaggregation amyloidähnlicher Fibrillen zur Proteinrückfaltung durch Nanopartikel-Zugabe, wobei deren Schalenbindung mit einer magnetothermischen Auslösung über die Kerne gekoppelt wird. Grad der Originalität Die Neuheit liegt in einem proteinübergreifenden, quantitativen Rahmen, der Bindungsthermodynamik mit Stabilisierungsleistung verknüpft, um Bindungsmetriken als prädiktives Auswahlkriterium für künstliche Chaperone zu nutzen. Dies schließt zwei Lücken: (i) das Fehlen von Vergleichsstudien zur Falschfaltungsprävention bei verschiedenen Proteinen auf einer identischen Polymerplattform und (ii) das Fehlen einer systematischen Untersuchung der Polymereigenschaften und Bindungsthermodynamiken, die diese Prävention steuern. Beteiligte Hauptforscher Dr. Luca Stefanuto leitet das Projekt und fokussiert seine Karriere auf die innovative Anwendung von Biopolymeren. Univ.-Prof. Dr. Reimhult, der Leiter des Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung an der Universität für Bodenkultur Wien, betreut das Projekt als Mentor.

HoloPlating ist eine neue Methode zur schnellen, automatisierten und präzisen Bestimmung der Lebensfähigkeit von Mikroorganismen auf Agarplatten – dem universellen Goldstandard für die Zählung koloniebildender Einheiten (CFU) in den Bereichen Lebensmittelsicherheit, Pharmazie, klinische Diagnostik, Wasserüberwachung und biotechnologische Forschung und Entwicklung. Es wird eine neue optische Methode entwickelt, um CFUs auf Agarplatten bereits in einem frühen Stadium auszulesen. Damit könnten die Wartezeiten bis zum Ergebnis im Vergleich zu den derzeit besten automatisierten Plattenlesegeräten um das 5- bis 10-fache und im Vergleich zu herkömmlichen manuellen Verfahren um das 50- bis 100-fache verkürzt werden.

Das gegenständliche Projekt soll Wasserversorgern und anderen Akteuren mit Anknüpfungspunkten zur Trinkwasserversorgung wie dem Roten Kreuz und dem Österreichischen Bundesheer ein Instrument zur Früherkennung mikrobieller Krankheitserreger und dazugehörige Handlungsempfehlungen zur Verfügung stellen. Dabei werden experimentelle Technologie und Prototypen zuerst im Labor validiert, um in der zweiten Projekthälfte in Feldversuchen bei Bedarfsträgern getestet zu werden. Dabei soll die potentielle Leistungsfähigkeit der Methode der holographischen Mikroskopie in Verbindung mit maschinellem Lernen in der relevanten Umgebung der Anwender – Wasserversorger und Einsatzorganisationen – validiert werden. Dabei konzentrieren sich die Projektpartner zunächst auf die Erkennung bisher bekannter mikrobieller Bedrohungen. Darüber hinaus wird das Potenzial der Technologie von Holloid evaluiert, bisher unbekannte mikrobielle Krankheitserreger nachzuweisen.