Forschen • Ausbilden • Vernetzen
Für eine nachhaltige Bioökonomie

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greenRelease Technologiefortschritt

Der Schwerpunkt des Entwicklungsbereichs "Technology Advancement" (CG Schwaneberg, CG Pich und CG Gohlke) ist die Entwicklung von Mikrogel-Freisetzungsbehältern für Pestizide und Herbizide, die Identifizierung von blattbindenden Ankerpeptiden und das Verständnis von Pestizid-Freisetzungskinetiken sowie der Peptid-Blatt-Interaktionen. Mikrogele sind 3D-Polymernetzwerke, die durch Wasser aufquellen und einen hydrodynamischen Durchmesser zwischen 100 nm bis 100 µm aufweisen. Es gibt verschiedene Methoden zur Synthese von Mikrogelen, die am häufigste verwendete Methode ist die Fällungspolymerisation. Diese „intelligenten“ Materialien zeigen eine schnelle Reaktion auf äußere Reize und sind vielversprechende Kandidaten für viele Anwendungsfelder, z. B. bei der Verabreichung von Nahrungsmitteln oder der gezielten Freisetzung von Medikamenten. Wir haben Mikrogele mit hydrophoben oder hydrophilen Domänen synthetisiert, um diese mit unterschiedlichen Wirkstoffen (Pestizide und Herbizide) zu beladen, um diese anschließend wieder langsam freizusetzen. Mittels Molekulardynamik-Simulationen konnten wir nicht nur Einblicke in die thermoresponsiven Eigenschaften der kleinsten Mikrogel-Bausteine, sondern auch in den Wachstumsprozess von Mikrogelen gewinnen. Wir konstruierten atomistische Modelle von Mikrogelen, die die gleichen Eigenschaften zeigten, die wir in den durchgeführten Experimenten beobachtet haben. Diese Modelle wurden verwendet, um die Aufnahme- und Freisetzungsprozesse von Fungiziden und Herbiziden zu beschreiben und diese Prozesse anzupassen und zu optimieren.

Abb. 1: Konfokalaufnahme (A) eines mit Ankerpeptiden dekorierten Mikrogels. Im Laufe der Jahre stieg das Produktionsvolumen (B) von einer Chargengröße von 150 mL (2018) auf 20 L (2020). Mit der Produktion im Pilotanlagenmaßstab war es möglich, 120 L greenRelease-Formulierung für Feldversuche herzustellen (C).

Die Mikrogel-Behälter sind mit Ankerpeptiden ausgestattet (Abb.1 A), die als Haftvermittler für Pflanzenoberflächen fungieren, um eine selektive und starke Bindung der mit Pestiziden beladenen Mikrogele zu ermöglichen und das Abwaschen der Wirkstoffe von den Pflanzen zu minimieren. Ankerpeptide sind kleine Moleküle und bestehen aus 10 bis 100 Aminosäuren. Ankerpeptide binden bei Umgebungstemperatur durch einfache Sprühanwendungen an Oberflächen. Die Bindungsstärke eines Ankerpeptids an eine bestimmte Oberfläche kann durch Protein Engineering eingestellt werden. Im Rahmen des greenRelease-Projekts haben wir stark bindende Ankerpeptide für die Blätter aller ausgewählten Zielpflanzen (Apfel, Zuckerrübe, Kartoffel, Gerste; Abb. 2) identifiziert. Um die Regenfestigkeit der Ankerpeptide weiter zu erhöhen, wurde ein gerichtetes Evolutionsprotokoll für Ankerpeptide entwickelt (>2 Aminosäuresubstitutionen pro Variante). Um die Regenfestigkeit des applizierten Mikrogel-Containers zu verbessern, ist das Verständnis der Ankerpeptide-Blatt Interaktionen von zentraler Bedeutung.

Abb. 2: Mit Ankerpeptiden beschichtete Pflanzenblätter. Konfokalmikroskopische Aufnahme der Ankerpeptidbindung auf Blättern von Kartoffel, Gerste, Apfel und Zuckerrübe, visualisiert durch das genetisch fusionierte grün fluoreszierende Protein. Ohne (oben) und mit Ankerpeptid (unten).

Daher haben wir atomistische Modelle von verschiedenen Blattoberflächen erstellt, um die Adhäsionseigenschaften der Ankerpeptide zu untersuchen. Basierend auf der experimentell ermittelten Blattwachszusammensetzung, wurde ein dreischichtiges Modell der Blattoberfläche eines Apfelbaums entwickelt. Das Modell wurde in konsekutiven Simulationen verwendet, um die Ankerpeptide auf „Hotspots“ zu untersuchen, welche für die Adhäsion und Orientierung der Ankerpeptide auf der Blattoberfläche maßgeblich sind. Mit diesem Wissen können zukünftige die Adhäsionseigenschaften der Ankerpeptide an unterschiedliche Blattoberflächen maßgeschneidert werden (Abb. 3).

Im Rahmen des Projekts wurde eine Produktionsstrategie entwickelt, die es uns ermöglichte 120 L der greenRelease-Formulierung für die von der Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen durchgeführten Feldversuche (Abb.1 B,C) zur Verfügung zu stellen.

Abb. 3: Gesteuerte MD-Simulation der Desorption eines Ankerpeptides von der dreischichtigen Oberfläche eines Apfelbaumblattes. B Identifizierte Hotspots, die zur Adsorption eines Ankerpeptides an das Blattwachs beitragen.

Beteiligte Core Groups

Prof. U. Schwaneberg
Dr. F. Jakob
Chair of Biotechnology
RWTH Aachen University & DWI – Leibniz-Institute for Interactive Materials

 

Prof. A. Pich
Institute of Technical and Macromolecular Chemistry
RWTH Aachen University


Prof. H. Gohlke
Computational Pharmaceutical Chemistry and Molecular Bioinformatics
HHU Düsseldorf