Ziel dieses Projekts ist die Weiterentwicklung von Methoden zur laserbasierten Infrarot (IR)-Spektroskopie für die Proteinanalyse und die Anwendung und Etablierung der IR-Spektroskopie zur Überwachung und Qualitätskontrolle bei der Untersuchung von Bioprozessen.

Die besonderen optischen Eigenschaften der Quantenkaskadenlaser (QCL) Lichtquellen ermöglichen neuartige Ansätze in der IR-Spektroskopie. Innerhalb des Projekts wird durch Entwicklung von Laser-basierten IR Spektrometern die Robustheit und Nachweißgrenze von IR Messungen verbessert. Es soll gezeigt werden, dass sich dadurch die praktischen Anwendungsbereiche der IR-Spektroskopie in der qualitativen und quantitativen Analyse von Proteinen erheblich ausweiten lässt.

Anschließend wird QCL-IR Spektroskopie zur Untersuchung einzelner Bioprozessschritte eingesetzt. Bisher war eine solche Analyse von Bioprozessen mittels IR Spektroskopie aufgrund der geringen Proteinkonzentration während einzelner Prozessschritte nicht möglich. In dem geplanten Forschungsprojekt wird die QCL-IR Spektroskopie zur strukturbasierten Produktanalytik an wesentlichen Punkten des „Downstream“ Prozesses eingeführt (Analytik der Proteinaggregate, Rückfaltungskinetik, Analytik der Downstream Prozessschritte sowie Kinetik der Häm-Einbindung) und anschließend auch zur Charakterisierung und Qualitätskontrolle der einzelnen Arbeitsschritte eingesetzt. Die Veränderungen der Struktur und Aktivität der Zwischenprodukte sowie des Endproteins können so analysiert und in Beziehung gesetzt, sowie die Einflüsse systematisch veränderter Prozessparameter untersucht werden.

Publikationen:

• Broadband laser-based mid-infrared spectroscopy employing a quantum cascade detector for milk protein analysis, Sensors and Actuators B: Chemical, 2021.
• Mid-IR refractive index sensor for detecting proteins employing an external cavity quantum cascade laser-based Mach-Zehnder interferometer, Optics Express, 2020.
• The next Generation of IR Spectroscopy: EC-QCL based mid-IR Transmission Spectroscopy of Proteins with Balanced Detection, Analytical Chemistry, 2020.
• Production of Active Recombinant Hyaluronidase Inclusion Bodies from Apis mellifera in E. coli Bl21(DE3) and characterization by FT-IR Spectroscopy, International Journal of Molecular Sciences, 2020.

FWF-Projekt: Advancing QCL-IR Spectroscopy of Proteins for Downstream Process Monitoring, No. P32644-N