Selektion hochaffiner Peptide zur Bindung von f-Elementen und deren physikochemische Charakterisierung


Selektion hochaffiner Peptide zur Bindung von f-Elementen und deren physikochemische Charakterisierung

Claus, G.

Das wesentliche Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, hochaffine Peptide zur Bindung des Lanthanoides Europium zu selektieren, zu identifizieren und hinsichtlich ihrer Affinität zu charakterisieren. Die Elemente der Seltenen Erden (REE) sind aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften von enormer Wichtigkeit in Zeiten der modernen Technologie. Die Selektion von Peptid-Biosorbenzien mit hoher REE-Affinität würde den ersten Schritt bilden, um die Herstellung von sogenannten Biokollektoren zu verwirklichen. Diese sollen zukünftig für das Recycling von Seltenen Erdmetallen wie Europium aus Elektroschrott oder für deren Extraktion aus primären Rohstoffgemischen angewendet werden.
Für die Realisierung dieser Zielstellung kam zunächst die Technik des Phage Surface Display zum Einsatz, mit dessen Hilfe gut bindende Phagenvarianten über mehrere Runden einer Affinitätsselektion angereichert und schließlich mittels Sanger-Sequenzierung identifiziert wurden. Die ermittelten Peptidsequenzmotive wurden in einem kompetitiven Bindeversuch weiter reduziert und die daraus resultierten besten Binder in Einzelbindeversuchen sowie in der zeitaufgelösten Laser-induzierten Fluoreszenz-spektroskopie (TRLFS) auf ihre Bindungsaffinität für Europium-Ionen hin untersucht. Die EF-Hand 4 des Calmodulins diente als Modellsystem zur Bestimmung der Bindungsparameter unter Verwendung der TRLFS sowie der isothermen Titrationskalorimetrie (ITC).
Die am stärksten gebundenen Peptidmotive sind durch eine hohe Anzahl an basischen Aminosäuren (AS), insbesondere Histidin, wie auch durch eine vergleichsweise hohe Anzahl an hydrophoben Resten und einen relativ geringen Anteil an sauren AS charakterisiert. Die Histidine deuteten aufgrund der freien Elektronenpaare ihrer Stickstoffatome auf eine vielversprechende Europium-Komplexierung hin. In der TRLFS stellte sich jedoch heraus, dass keines der sechs ausgewählten und synthetisierten Peptide die Europium-Ionen komplexiert. Auch in den Einzelbindeversuchen zeigte keiner der selektierten Phageneinzelklone eine gegenüber dem Phagenwildtyp verbesserte Bindung an die Zielmoleküle. Mögliche Gründe dafür werden diskutiert und sollen in fortführenden Versuchen überprüft werden.
Die TRLFS- sowie ITC-basierten Modelluntersuchungen der EF-Hand 4 des Calmodulins ergaben zwei Komplexspezies mit einer 1:1- und einer 1:2-Stöchiometrie. Es wurde die Parallele Faktoranalyse angewandt, um die Einzelkomponenten aus den experimentellen TRLFS-Spektren zu extrahieren und ihre Bindungsaffinität zu bestimmen. Anhand der ermittelten Dissoziationskonstanten von 5,66*10-6 M bzw. 1,00*10-4 M für den 1:1- bzw. 1:2-Eu(III)-EF-Hand-4-Komplex konnte eine hohe Affinität der EF-Hand 4 für Europium-Ionen nachgewiesen werden. Dies steht grundsätzlich in Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Komplexbildungsstudie zum Calmodulin (Drobot et al. 2019). Eine Ausnahme bildet jedoch der 1:2-Eu(III)-EF-Hand-4-Komplex, da er in dieser Form nicht im nativen Calmodulin-Protein vorkommt.
Die wesentliche Fragestellung, ob es Peptidmotive gibt, die noch besser an Europium-Ionen binden als die EF-Hände des Calmodulins, kann in der vorliegenden Arbeit nicht beantwortet werden. Aufgrund dessen sollte zukünftig das Peptidmotiv der EF-Hand 4 modifiziert und weiter optimiert werden, um eine noch höhere Europium-Affinität zu erhalten und somit dem Anwendungsziel, dem Recycling oder der Extraktion von Europium aus Elektroschrott bzw. primären Rohstoffquellen, einen Schritt näher zu kommen.

Keywords: Phage Surface Display; Biopanning; Europium; f-Elemente; TRLFS; Peptide

  • Master thesis
    TU Dresden/ IHI Zittau, 2020
    Mentor: Dr. Björn Drobot
    143 Seiten

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-34138
Publ.-Id: 34138