PrehuKo – Prozessentwicklung zur Herstellung von rekombinanten humanen Kollagenpeptiden

AUFGABENSTELLUNG | MOTIVATION

Kollagene sind zentrale Strukturproteine des tierischen Bindegewebes und bestimmen Stabilität und Elastizität vieler Gewebe. Medizinisch finden sie Anwendung als Wundauflagen, Wirkstoffträger oder Implantatmaterialien. Herkömmliche Quellen wie Rind, Schwein, Pferd oder humane Spender sind jedoch problematisch: Sie bergen Risiken für Krankheitsübertragungen und Immunreaktionen, weisen Qualitätsunterschiede auf und sind ethisch umstritten. Zudem sind bestimmte Kollagentypen, insbesondere Knorpelkollagen, aus natürlichen Quellen nur schwer in ausreichender Menge und Reinheit verfügbar. Eine biotechnologische Alternative bietet rekombinantes Kollagen. Es lässt sich standardisiert herstellen, gezielt modifizieren und flexibel skalieren. Dadurch können Proteinsequenzen mit definierten Eigenschaften erzeugt werden. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines entsprechenden Herstellungsprozesses auf Basis humaner Kollagensequenzen sowie die Untersuchung der Stabilität in Abhängigkeit von Hydroxylierung und Peptidlänge.

PROJEKTZIEL | ARBEITSHYPOTHESE

Das Projekt entwickelt ein rekombinantes Produktionsverfahren zur Herstellung humanbasierter Kollagenpeptide mit 30 bis 1000 Aminosäuren. Diese Peptide sollen mechanisch und thermisch stabil sein und eine tripelhelikale Struktur ausbilden. Im Mittelpunkt steht die Annahme, dass Stabilität und Fibrillenbildung durch den Hydroxyprolingehalt und die Peptidlänge bestimmt werden. Hydroxyprolin, gebildet durch enzymatische Hydroxylierung von Prolin, stabilisiert die Helix über Wasserstoffbrücken. Gleichzeitig beeinflusst die Kettenlänge die Ausbildung fibrillärer Strukturen, die für die Materialeigenschaften entscheidend sind. Durch Variation dieser Parameter werden Peptide mit hoher struktureller Integrität identifiziert, die auch bei physiologischen Temperaturen stabil bleiben.
Das Verfahren kombiniert ein Prolin-Hydroxylierungssystem mit einem Sekretionssystem, das die effiziente Ausscheidung der Peptide in das Kulturmedium ermöglicht. Als Expressionssystem dient Escherichia coli, das eine kosteneffiziente und skalierbare Produktion erlaubt.

NUTZEN | AUSBLICK

Das Projekt schafft die Grundlage für eine sichere, standardisierte und tierfreie Herstellung humaner Kollagenpeptide. Damit wird die Entwicklung reproduzierbarer und biokompatibler Biomaterialien für medizinische Anwendungen unterstützt. Durch die gezielte Kontrolle von Hydroxylierung und Peptidlänge lassen sich Moleküle mit definierten Stabilitäts- und Fibrillierungseigenschaften erzeugen, die sich besonders für die Knorpelregeneration oder als Trägermatrix in der Wirkstofffreisetzung eignen.
Neben der Prozessentwicklung liefert das Projekt neue Erkenntnisse über den Zusammenhang von Sequenzstruktur, Hydroxylierungsmuster und Stabilität. Diese Ergebnisse bilden die Basis für Prozessoptimierungen und eine Überführung in den Pilotmaßstab. Langfristig kann die entwickelte Plattform die biotechnologische Herstellung funktioneller Strukturproteine fördern und die Entwicklung nachhaltiger Biomaterialien vorantreiben.