Projekti / Programi
Raziskave socialnih interakcij v biotehnološko in medicinsko pomembnih mikrobnih biofilmih
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.06.04 |
Biotehnika |
Biotehnologija |
Mikrobna biotehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T490 |
Tehnološke vede |
Biotehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 3.04 |
Medicinske in zdravstvene vede |
Medicinska biotehnologija |
mikrobna biotehnologija, socialne interakcije, mešani mikrobni biofilmi, antibiotiki, polimeri, viskoelastičnost biofilmov.
Raziskovalci (20)
Organizacije (2)
Povzetek
1. Znanstvena izhodišča: Skozi milijarde let so bakterije razvijale sposobnosti sodelovanja v kompleksnih večceličnih socialnih strukturah. Tako ne čudi dejstvo, da kljub sposobnosti neodvisnega samotarskega življenjskega sloga, bakterije znaten del svoje genetske informacije uporabijo za prilagajanje na prisotnost drugih organizmov v okolju. V objavljenih genomih mikroorganizmov je tako 17 – 42 % odprtih bralnih okvirjev namenjenih interakcijam z drugimi mikrobi. Socialno kohezivnost bakterij omogočajo molekule, ki se izločajo iz celic in so kot javne dobrine na voljo vsem v skupnosti. Mednje spadajo signalne molekule, surfaktanti, antibiotiki, toksini, zunajcelični polimeri in zunajceličnimi encimi. Te molekule vplivajo tako na preživetveno sposobnost ter fiziologijo producenta kot tudi sosednjih bakterij (Oslizlo et al., 2014). Socialne interakcije so zlasti intenzivne v biofilmih, kjer celice živijo v neposredni bližini znotraj kompleksne mreže zunajceličnih polimerov in vplivajo ena na drugo. Na primer, talne in industrijsko pomembne po Gramu pozitivne bakterije vrst Bacillus in Actinomyces lahko v biofilmu vplivajo na proizvodnjo javnih dobrin drug drugega (Traxler and Kolter, 2015). Aktinomiceta Streptomyces rapamycinicus ima približno 45 potencialnih genskih gruč za sekundarne metabolite, a do danes so bile indentificirane le tri spojine (Baranasic et al., 2013). Pomembno neodgovorjeno vprašanje je, ali in kako lahko bakterije rodu Bacillus, ki same proizvajajo številne sekundarne metabolite (antibiotike, surfaktante), vplivajo na izražanje tihih sekundarnih metabolitov bakterij Streptomyces. Nadalje, vrste Bacillus tvorijo biofilme na različnih površinah, med drugim tudi v prebavnem traktu živali in človeka. V teh okoljih B. subtilis zelo verjetno pride v stik z bakterijo Campylobacter jejuni, ki je eden izmed vodilnih svetovnih povzročiteljev gastroenteritisa (Smole Možina et al., 2011). V projektu bomo proučili, kako različni sevi B. subtilis omogočijo ali preprečijo razvoj biofilma C. jejuni.
2. Predstavitev problema: Bakterije tradicionalno proučujemo v monokulturah, dasiravno jih v naravnih okoljih predvsem najdemo v mešanih biofilmih. Ker socialne interakcije v mešanih biofilmih vplivajo na ekspresijo javnih dobrin (signalnih molekul, antibiotikov, toksinov, zunajceličnih encimov), potrebujemo znaten preskok v razumevanju mehanizmov socialnih interakcij, če želimo uveljavljati nove aplikacije na področjih medicine, biotehnologije in industrijske mikrobiologije.
3. Cilji projekta in pomen rezultatov: Glavni cilj predlaganega raziskovalnega projekta je raziskati molekularne osnove socialnih interakcij izbranih medicinsko in biotehnološko pomembnih bakterij, ki vplivajo na razvoj mešanega biofilma, fitnes udeleženih bakterij, sintezo antibiotikov in zunajceličnih polimerov, odgovor na stres in mehanske lastnosti biofilmov. V projektu bodo uporabljena najmodernejša molekularna orodja za proučevanje treh modelnih bakterijskih sistemov (Bacillus, Streptomyces, Campylobacter), ki jih bomo gojili v monokulturah in v mešanih biofilmih oziroma planktonskih kokulturah. Projekt združuje znanje slovenskih raziskovalcev (BF in Acies Bio) ter raziskovalcev iz mednarodno priznanih Univerz v Harvardu, Oxfordu, Kopenhagnu, Aberdeenu, Iowi in Helmhotz inštitutA. Pričakujemo, da bomo v okviru projekta identificirali nove poti za spodbujanje sinteze tihih antibiotikov. S proučevanjem faktorjev, ki omogočajo nastanek biofilmov patogenih bakterij v črevesju, bomo pridobili nove možnosti za preprečevanje bolezni in prenašanja patogenov. Pridobljeni podatki bodo omogočili poglobljeno razumevanje vzpostavljanja mikrobne socialne strukture in načina vojskovanja v mikrobnem svetu.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagan projekt temelji na novi paradigmi, vezani na spoznanja, da mikroorganizmi živijo v kompleksnih združbah, katerih sestava in funkcija je odvisna predvsem od socialnih odnosov med mikrobnimi celicami. Pogled na mikrobne združbe s stališča socialne evolucije je nov in verjamemo, da bo projekt prinesel pomembna odkritja, ki bodo zanimiva tudi za širšo znanstveno skupnost. Projekt je tesno vezan na prioritete Horizont 2020 in je ključen za razvoj slovenske znanosti. Z uporabo sodobne raziskovalne tehnologije bomo določali mehanske lastnosti biofilmov in hkrati analizirali razporeditev celic različnih bakterijskih vrst in sevov znotraj mešanih biofilmov, kar je nov inovativen pristop proučevanja socialnih interakcij mikroorganizmov. Poleg tega bomo vrednotili vplive na sintezo zunajceličnih molekul (antibiotikov, EPS) in stresni odziv ter plastičnost odzivov na nivoju transkripcije genov, ki kodirajo socialne lastnosti. Socialne interakcije bomo vrednotili s flurescenčno/konfokalno mikroskopijo, kar bo omogočilo spremljanje odziva bakterij na nivoju posamezne celice. Zgoraj našteti pristopi bodo omogočili nova spoznanja o fiziologiji biofilmov Campylobacter jejuni, najbolj pogostega enteropatogena v Sloveniji in EU ter industrijsko jpomembnih bakterij: Bacillus in Streptomyces. Fiziološki odziv bomo merili v biofilmih, ki predstavlja dominantno obliko bivanja mikroorganizmov. Projektni cilji vključujejo tudi odkrivanje novih antibiotikov preko zbujanja “tihih” genov pomembnih pri sintezi sekundarnih metabolitov. Nedavna pridobitev patenta za nov antibiotik članov naše projektne skupine potrjuje spoznanje, da je za proizvodnjo novega protimikrobnega sredstva v prvi vrsti potreben razvoj bazičnega mikrobiološkega znanja in velika mera inovativnosti, kar je značilnost tega projekta. Projekt bo omogočal še tesnejše povezave med člani projektne skupine, in krepil že obstoječa sodelovanja z raziskovalci na univerzah v Harvardu, Oxfordu, Groningenu, Copenhagenu Iowi, ter z raziskovalci inštitutu Helmholtz. Verjamemo, da bodo rezultati projekta ponudil kvalitetno in vzpodbudno okolje za izobraževanje mladih kadrov.
Pomen za razvoj Slovenije
Glede na velik medicinski in industrijski pomen naravnih spojin, katerih skupni trg trenutno presega 50 milijard USD, ne preseneča, da je bilo v preučevanje njihove biosinteze v preteklosti vloženega že veliko truda. Analiza številnih genomov v preteklih letih je pokazala, da imajo mikroorganizmi veliko število t.i. tihih genskih skupin za biosintezo sekundarnih metabolitov, ki niso izraženi, zato njihov izjemen potencial za farmacevtsko uporabo ostaja neizkoriščen. Kljub temu da gre za temeljni projekt, katerega glavni cilj so znanstvena odkritja, ki niso direktno aplikativna, bo pridobljeno znanje na področju interakcij in komunikacije med različnimi mikroorganizmi predstavljalo dobro osnovo za prihodnje aplikativno naravnane raziskave. Industrijski partner v projektu, Acies Bio, je v preteklosti že identificiral zanimive naravne spojine, ki jih po zaščiti intelektualne lastnine v sodelovanju z mednarodnimi partnerji razvija kot protimikrobne učinkovine, aktivne proti večkratno odpornim patogenom. Proučevanje aktivacije “tihih” genskih skupin, ki je predvidena v tem projektu, oziroma identificiranje novih bioloških aktivnosti bi lahko predstavlja osnovo za zaščito intelektualne lastnine in nadaljnji aplikativni razvoj. Tudi pričakovana nova spoznanja o interakcijah sevov Campylobacter z bakterijo Bacillus subtilis so osnova za nove biotehnološke rešitve in nadzor tega patogena. Modelni mikroroganizem B. subtilis ni le industrijsko zanimiv, kot producent številnih pomembnih encimov, antibiotikov in polimerov, temveč je v uporabi tudi kot razgrajevalec polutantov in pospeševalec rasti rastlin. Še neizkoriščen potencial te bakterije je v proizvodnji zunajceličnih polimerov je tudi ena od tem tega projekta Naše razsikave socialnih interakcij so zato pomembne tudi z družbenega vidika. Biogospodarstvo v EU predstavlja cca. 2000 milijard evrov prihodkov in zaposluje okoli 22 milijonov ljudi in tako predstavlja enega izmed najpomembnejših delov ekonomije v EU. Pričakovani dosežki projekta doprinašajo k povečanju inovativnosti in konkurenčnosti slovenskega biogospodarstva na področju farmacije in živilstva. Prav tako se tematika projekta popolnoma sklada s predlagano slovensko strategijo pametne specializacije na prednostnem področju (S)INDUSTRIJA 4.0 - Medicina.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
