Forschung

Entwicklung digitaler Zwillinge von polymerbasierenden Chromatographieharzen

Der globale Markt für selektive Bioseparationssysteme umfasst ca. 20 Milliarden Dollar und hat eine prognostizierte Wachstumsrate von mehr als 5 %. Bioseparationen, wie die Chromatographie, beruhen auf bioinstruktiven Adsorbentien, welche durch nanoskalige Materialstrukturen und maßgeschneiderte Oberflächenfunktionalisierungen hochspezifische Interaktionen mit Zielmolekülen ermöglichen. Hierbei beeinflussen die 3D-Interaktionen der in den Poren des Adsorbens verteilten aktiven Zentren die Affinität und Selektivität zu spezifischen Zielmolekülen. Oftmals sind jedoch Informationen über die detaillierte 3D-Struktur von kommerziell erhältlichen Adsorbentien nicht bekannt. Deshalb sollen in diesem Projekt mithilfe von Molekulardynamik-Simulationen digitale Zwillinge von kommerziellen Chromatographieharzen entwickelt werden. Zur Generierung von Trainingssets werden im experimentellen Teil dieses Projekts Hochdurchsatz-Screenings durchgeführt. Hierbei wird das Bindeverhalten verschiedener Zielmoleküle an den Adsorber unter variierenden Bedingungen untersucht und mit Ergebnissen der Simulation korreliert.
Die entwickelten digitalen Zwillinge sollen den Einfluss von nanoskaligen Oberflächeneigenschaften der Adsorbentien und das 3D Bindeverhalten von Zielmolekülen an den Adsorber zeigen. Des Weiteren ermöglichen digitale Zwillinge das rational design von Chromatographieharzen bezüglich: (i) der Größe und Flexibilität des Adsorbats (ii) der Heterogenität der Oberflächenfunktionalisierung, (iii) des Einflusses von Lösungsmitteln und Elektrolyten und (iv) der Tatsache, dass die Effizienz des Adsorptionsprozesses sich nicht alleinig durch physikochemische Interaktionen auf molekularem Maßstab beschreiben lässt, sondern auch von nanoskaligen Materialeigenschaften, wie Größenverteilung und Form der Poren, etc. beeinflusst wird.
Das Ziel dieses Projektes ist die Implementierung der entwickelten digitalen Zwillinge in Simulationssoftwares von Bioprozessen als unabhängige Module, sowie die Simulation des Adsorptions-/Desorptionsverhalten der Adsorbentien für eine breite Anzahl an Zielmolekülen. Der finale digitalen Zwilling soll keine Kollektion von Kapazitäten und Affinitäten für eine feste Liste an Molekülen, wie in aktuellen Simulationstools, sondern eine dreidimensionale Repräsentation des Adsorbermaterials sein, welche detaillierte molekulardynamische Simulationen der Adsorber-Adsorbat-Interaktionen erlaubt.

Abbildung 1: Coarse Grained Simulation eines Chromatographieharzes

Abbildung 2: All-Atom Repräsentation eines Chromatographieharzes mit ca. 100.000 Atomen

Abschlussarbeiten:
Bachelor und Masterarbeiten können jederzeit vergeben werden. Bei Interesse bitte Kontakt per E-Mail (siehe oben) aufnehmen.                                                            Konkrete Themen können wir dann gerne bei einem persönlichen Gespräch genauer besprechen.