Projekti / Programi
Elektrostatska imobilizacija bakterij in vpliv na njihovo fiziologijo
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.06.04 |
Biotehnika |
Biotehnologija |
Mikrobna biotehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T490 |
Tehnološke vede |
Biotehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.08 |
Tehniške in tehnološke vede |
Okoljska biotehnologija |
elektrosktatska imobilizacija bakterij, enkapsulacija bakterij, molekularna mikrobiologija, fizika koloidov
Raziskovalci (18)
Organizacije (5)
Povzetek
V naravi ima ekstracelularni matriks, ki obdaja celice ključno vlogo za normalno delovanje celic. Prostorska omejitev, ki jo omogoča matriks celicam služi za zaščito pred predatorji in antibakterijskimi agensi, vzpostavitev visokih koncentracij celic in koagregacijo različnih tipov celic, hkrati pa predstavlja matriks, kjer se koncentrirajo različne bioaktivne molekule. V biotehnoloških procesih se te naravne principe lahko izkorišča tako, da imobilizacijo bakterij uvedemo umetno. V večjem številu primerov so že pokazali, da je takšen pristop izredno učinkovit, saj imobilizacija celic poenostavi postopek in poveča njegov izkoristek. Trenutno najbolj pogosto uporabljeni pristopi za imobilizacijo temeljijo na agregaciji s pomočjo dehidracije in naknadne peletizacije, na ujetju celic v gel ali sol-gel ali v matrix z navzkrižno povezavo naravnih (npr. alginata ali karagenana) ali umetnih polimerov (npr. poliakrilamida, polietilenglikola ali polivinil alkohola).
Ker interakcije med celicami in matriksom temeljijo na fizikalno kemijskih principih, je znanje koloidne fizike izjemnega pomena za razvoj novih strategij oziroma pristopov za imobilizacijo. Ena takšnih strategij bi lahko temeljila na prirejenem postopku za nalaganje oziroma vezavo nabitih polimernih molekul v obliki slojev (angl. Layer-by-layer; LBL). Tehnika LBL je bila podrobno raziskana in tudi pogosto uporabljena za modifikacije površin anorganskih in neživih organskih materialov v dveh (klasične površine materialov) ali treh dimenzijah (mikro in nanodelci). Kapsule, ki pri tem nastanejo, so zelo tanke in porozne, a hkrati tudi elastične in močne, kar je posledica načina aplikacije polimerov v obliki večplastnega ovoja nanometrske debeline. Z uporabo različnih načinov uporabe tehnike LBL za enkapsulacijo celic (npr. spreminjanjem ionske jakosti, pH medija, tipa, velikosti in razvejanosti polimerov, vnosa kovalentnih vezi med polimeri) lahko vplivamo na poroznost in debelino kapsule, ter na naboj površine. Ker bakterijske celice lahko obravnavamo kot poseben tip mehkih delcev, ki imajo zaradi celične stene in membrane negativen naboj, lahko to lastnost uporabimo za enkapsulacijo celic, spremembo površine, imobilizacijo ali ujetje celic v matriks, tako da uporabimo polielektrolitne polimere tako, kot to običajno uporabljamo pri tehniki LBL in neživih površinah ali delcih.
Glede na našo hipotezo lahko bakterijske celice učinkovito in trajno ujamemo med sloje polielektrolitnih polimerov. V nasprotju z dosedanjimi raziskavami mi upoštevamo, da so bakterijske celice, ki so mikronske velikosti, drugačne kot neživi delci, ki jih običajno enkapsuliramo s tehniko LBL, saj: (i) imajo celice zelo raznoliko t.i. mehkost površine zaradi proizvajanja zunaj celičnega matriksa dinamične celične stene, (ii) se lahko celice prilagodijo, metabolno ali s spreminjanjem organizacije celične površine, na nalaganje polimerov na površini celice, (iii) lahko pozitivno nabiti polimeri vplivajo na preživelost celic in (iv) lahko ovoj proizveden s tehniko LBL vpliva na fiziologijo celic zaradi poroznosti kapsule, difuzije hranil in fizičnega zaviranja rasti in delitev. Glede na našo hipotezo so cilji projekta, da: (i) razvijemo postopek za imobilizacijo bakterijskih celic s pomočjo tehnike LBL, (ii) opišemo fizikalno kemijsko in mikroskopsko enkapsulirane bakterije, (iii) določimo vpliv enkapsulacije s pomočjo polielektrolitov na fiziologijo in delitev celic ter (iv) ocenimo razlike ravnotežja mase v imobiliziranih in prostih bakterijskih celicah.
Pomen za razvoj znanosti
V biotehnologiji je zelo dobro prepoznan pomen pritrjanja celic pri čemer je z imobilizacijo možno doseči zelo pomembne efekte. Npr. znano je, da enkapsulacija lahko prepreči tekmovanje z drugimi bakterijami ali pa uničenje bakterij s strani praživali. Enkapsulacija lahko tudi poveča produkcijo v biotehnoloških procesih (npr. produkcija etanola je povečana pri kvasovkah). Vendar pa trenutno večina metod bazira na ujetje celic v polimerni matriks kot je to npr. alginat.
V zadnjih letih je bila uporaba tehnike LbL demonstrirana na bakterijskih celicah. Metoda sicer kaže na zelo zanimive rezultate, ampak je pri tem problematično to, da se je tretirala celica kot neživ delec na katerega je bistveno lažje deponirati polielektrolite in zaradi tega ostane veliko osnovnih in zelo pomembnih vprašanj odprtih za raziskati. V našem projektu bomo opazovali interakcijo bakterij z nabitimi polielektrolitnimi polimeri in bomo pospešili razvoj znanosti na področju zaradi:
i) pridobili bomo nov vpogled v mehanofizikalno interakcijo nabitih koloidov s celicami
ii) pridobili bomo nov vpogled na eni strani na mehanizem pritrjanja elektrolitov in na drugi vplive teh elektrolitov na celico, ko le ti formirajo kapsulo okoli nje
iii) določili bomo faktorje, ki vplivajo na nastanek celičnih agregatov in celičnih slojev pri čemer bomo kako takšna prostorska formacija vpliva na njihovo piziologijo
iv) pridobili bomo poglobljeno razumevanje vpliva prostorskega raporejanja različnih celic na medsebojno interakcijo
Ta napredek na področju bo omogočil poglobljeno razumevanje funkcioniranja bakterijskih celic v zelo zmanjšanem prostoru kot npr v porah v prsti in bo hkrati v prihodnosti omogočilo modifikacijo celičnih površin.
Pri tem pa modifikacija celičnih površin odpre nova vprašanja o tem kako lahko funkcionirajo v okolju.
Nove razvite metode v tem projektu in določitev njihovih omejitev bodo omogočile raziskave prostorske razporeditve celic različnih celic. Omogočajo tudi raziskavo biofilmov, če celice postavimo na točno določeno površino. Spremembo structure združbe tako deponiranih celic se lahko opazuje v nekem časovnem okviru. Predvsem to pa je trenutno eden od zelo vročih tematik v ekologiji in sicer pritrjanje bakterij in njihova prostorska razporeditev.
Pomen za razvoj znanosti na tem področju bazira na našem trenutnem znanju in na poznavanju stanja objavljene literature predstavljene v prilogi literatura in poglavju 13.
Pomen za razvoj Slovenije
Imobilizacija bakterijskih celic poenostavi in poveča učinkovitost biotehnoloških procesov. Ne le zniža stroškov proizvodnje, ampak tudi zmanjša okoljski odtis. Projekt posega v sektor biotehnologije z razvojem novega sloj-na-sloj (angl. LbL) pristopa elektrostatične spremembe površine bakterijskih celic, ki bo omogočal uporabo živih organizmov v naprednih biotehnoloških aplikacijah brez gensko spremenjenih organizmov (GSO). Projekt cilja na povečanje učinkovitosti biotehnoloških procesov in aplikacij, hkrati pa bo zagotavljal trajnostni razvoj, rezultati projekta pa bodo najbolj koristni za uporabo v zdravstvu, kmetijstvu ter industrijski in okoljski biotehnologiji. Projekt je popolnoma skladen s koncepti zelene rasti (OECD)2, zelenega gospodarstva (UNEP)3 ter materialno učinkovite in nizkoogljične družbe4 (EC), ki temeljijo na dvigovanju energetske, materialne, okoljske in družbene učinkovitosti in je tako skladen tudi s cilji programa Obzorje 2020 in Evropske razvojne politike
Projekt bo omogočil napredek na področjih: (i) tkivnega inženirstva, (ii) mikroenkapsulacije za zdravljenje bolezni, (iii) hrane in pijače in (iv) industrijske biokemijske proizvodnje. Konzorcij je interdisciplarni s partnerji iz raziskovalnega, izobraževalnega in poslovnega okolja, ter nam preko že vzpostavljenih povezav z svetovnim akademskim in industrijskim sektorjem na področju, omogoča zagotoviti močan vpliva rezultatov projekta. Projekt je tako skladen s Slovensko strategijo pametne specializacije, ki izpostavlja pomembnost sodelovanja med različnimi deležniki za pospeševanje prenosa znanj in internacionalizacije. Rezultati projekta nudijo možnost za patentno zaščito in temelje za nadaljnji aplikativni razvoj novih izdelkov in storitev v že uveljavljenih podjetjih in za ustanovitev novih usmerjenih “spin-off” podjetij, ter tako dvigujejo konkurenčnost ter omogočajo družbeno in ekonomsko opolnomočenje slovenskega prebivalstva.
Projekt bo omogočil vzpostavitev in razširitev partnerske mreže s komplementarnimi organizacijami in bo kljub temu, da je temeljni projekt, pozitivno vplival na pospeševanje prenosa temeljnega znanja uporabe elektrostatskih sprememb površin bakterijskih celic v uporabne rešitve. Predlagani projekt bo podprl razvoj kulture, ki bo omogočila prosto izmenjavo idej, izkušenj na izbranih tematikah prek izobraževanja mladih raziskovalcev in prenos znanja med partnerji in na študente.
OECD, The Application of Biotechnology to Industrial Sustainability - A Primer: http://www.oecd.org/sti/biotech/1947629.pdf
OECD (2011), Towards the Green Growth, OECD Publishing.
United Nations Environment Programme, Green Economy: http://www.unep.org.
European Commission, Low Carbon Society: http://ec.europa.eu/clima/citizens/aworldyoulike/index_en.htm
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
