Wechselwirkungen und Mechanismen bei der Proteinkristallisation

Die Kristallisation von Proteinen mit optimalen Partikel- und Prozesseigenschaften ist von vielen Einflussparametern abhängig und birgt deshalb einen hohen Entwicklungsaufwand. Das quantitative Verständnis der Wirkungsweise der Einflussfaktoren kann diese zumeist empirische Arbeit vereinfachen. Dazu wurden zunächst Protein-Protein Wechselwirkungen experimentell und mittels xDLVO-Modell ermittelt. Als Wechselwirkungskoeffizient eignet sich neben dem gebräuchlicheren zweiten osmotischen Virialkoeffizienten (B22) auch der Diffusionswechselwirkungskoeffizient. Die Modellierung liefert gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten für Lysozym (LSZ) und Bovine Serum Albumin (BSA) unter Berücksichtigung einer salzart- und konzentrationsabhängigen Hamakerkonstante. Kristallisationsexperimente zeigen, dass für LSZ und BSA im sogenannten „crystallization slot“ des B22 Kristalle entstehen, allerdings nur für optimale Übersättigungen. Das Kristallisationsgebiet wird hier erstmals um die Übersättigung als zusätzliche Achse erweitert und erklärt das Ausbilden der verschiedenen Präzipitatmorphologien. Neben homogener Keimbildung wurde der Einfluss von Impfkristallen aus Proteinkristallen und Fremdstoffen untersucht, wobei das Seeding von Silica dabei überraschenderweise zu den üblichen LSZ Kristallstrukturen und gleicher enzymatischer Aktivität führt, bei deutlich schnellerer Kristallisation. Zusätzlich wurden die Prozesseigenschaften mittels Kinetiken untersucht. Diese wiederum finden Eingang in ein populationsdynamisches Modell, das unter Berücksichtigung von homogener, sekundärer und Oberflächenkeimbildung, Wachstum und Agglomeration den Präzipitationsprozess physikalisch sinnvoll und in einem weiten Übersättigungsbereich gut abbildet.