IBZT-01: PepTight - Lasst die Biologie ran - Peptide umgarnen entscheidende Rohstoffe: die "natürliche" Trennung von Lanthaniden (Teilprojekt B)

Abstract

Das Forschungsvorhaben wurde in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Institut für Ressourcenökologie) durchgeführt. Im Rahmen des Projekts wurde zunächst ein Bindungsmotiv aus dem Protein Calmodulin thermodynamisch untersucht. Das entsprechende Peptid zeigte eine etwas geringere Affinität zum Lanthanid Europium (Eu³⁺) als das vollständige Protein. Die spektroskopische Charakterisierung offenbarte eine flexiblere Peptidstruktur, wodurch die Metallkoordination weniger definiert erfolgte. Ein damit verbundenes Ergebnis war die Optimierung der Datenauswertung für komplexe Systeme. Zudem gelang die Kopplung eines Peptids an ein Polymer und dessen Immobilisierung an ein Harz. Mit diesem Material konnten bereits knapp 90 % der Lanthanide aus Wasser zurückgewonnen werden. Auf dieser Grundlage, an der alle Projektgruppen beteiligt waren, entstand eine gemeinsame Publikation, die derzeit zur Veröffentlichung eingereicht ist. Probleme bei der Identifikation geeigneter Peptidsequenzen mittels Phage-Display wurden innovativ gelöst. Dabei wurden verschiedene Strategien verfolgt: Zum einen wurde anstelle des klassischen Phage-Display ein zellbasiertes Display-System eingesetzt, das Peptidsequenzen intrazellulär präsentiert. Zum anderen wurden Phagenbibliotheken gezielt modifiziert, um die Bindungseigenschaften der Peptide zu optimieren. Mehrere Kandidatensequenzen konnten erfolgreich selektiert und hinsichtlich ihrer Lanthanid-Bindungseigenschaften charakterisiert werden. Besonders hervorzuheben ist ein Peptid, das durch Metallbindung präzipitiert und dadurch ein hohes Innovationspotenzial für die Behandlung lanthanidhaltiger Abwässer bietet. Da die verfügbare Datengrundlage für lanthanidbindende Peptidsequenzen während des Projektzeitraums zu gering für den Einsatz von maschinellem Lernen war, wurde ein alternativer Algorithmus zur theoretischen Strukturoptimierung entwickelt. Dieser ermöglicht die systematische Untersuchung einer Vielzahl potenzieller Sequenzen. In der Endphase des Projekts identifizierte der Algorithmus ein Peptid mit signifikant höherer Affinität als die zuvor untersuchte EF-Hand-Domäne des Calmodulins. Parallel dazu wurden die Arbeiten auf Peptidmotive aus den kürzlich entdeckten bakteriellen Lanmodulinen ausgeweitet. Auch hier zeigte sich, dass die isolierten Peptide ohne den Proteinkontext deutlich an Affinität zu Lanthanidionen verlieren. In der Endphase des Projekts gelang es allerdings, dies durch Peptidzyklisierung fast vollständig zu kompensieren. Die entwickelten Zyklopeptide stellen eine neue Generation von Lanthanidbindern dar, die großes Potential für Anwendungen in der zirkularen Ökonomie, aber auch in der spektroskopischen und strukturbiologischen Forschung besitzen.