Projekti / Programi
Nove nanopore za aplikacije senzorike
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.06.00 |
Biotehnika |
Biotehnologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P310 |
Naravoslovno-matematične vede |
Beljakovine, encimologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 3.04 |
Medicinske in zdravstvene vede |
Medicinska biotehnologija |
Nanopore, proteini, umetni modelni membranski sistemi, senzorika
Raziskovalci (26)
Organizacije (2)
Povzetek
Senzorika na osnovi nanopor predstavlja eno od najbolj pomembnih visoko zmogljivih tehnologij za direktno detekcijo analitov kot so majhne molekule in večje molekule biološkega izvora kot so npr. DNA, RNA ali proteini. Biološke nanopore predstavljajo pomembno skupino molekul, ki omogočajo pristope senzorike in so vzbudile precej pozornosti v zadnjih letih kot posledica uspešne uporabe pri določanju zaporedja DNA. V tem projektu bomo raziskovali nove nanopore in membranske sisteme, ki jih bomo lahko uporabljali v pristopih senzorike za detekcijo majhnih molekul in večjih polimernih molekul kot so DNA, RNA ali proteini. Osredotočili se bomo na proteinske družine por, ki imajo določene koristne lastnosti v aplikacijah senzorike. Naš glavni cilj bo razvoj novih nanopor na osnovi družin proteinov, ki tvorijo pore (ang. Pore Forming Proteins, PFPs) in novih membranskih sistemov. Uporaba novih biomimetskih materialov na področju senzorike bo omogočilo nadaljnji razvoj senzorike in razvoj senzorjev, ki bodo optimalno delovali tudi v prisotnosti kompleksnih vzorcev kot so npr. serum ali okoljski vzorci. Raziskovalne usmeritve tega projekta bodo sledile naslednjim ciljem: i) Opis strukturnih in funkcijskih lastnosti nanopor na osnovi aerolizinske družine PFPs in aktinoporinske družine PFPs; ii) Razvoj modelnih membranskih sistemov za uporabo senzorike in modelnih membranskih sistemov kot so npr. liposomi ali nanodiski; iii) Senzorika analitov z nekaterimi novimi nanoporami in membranskimi sistemi. Novi podatki o lastnostih nanopor v različnih membranskih podpornih sistemih in podatki o detekciji različnih analitov bodo predstavljali dobro osnovo za nadaljnji razvoj senzorike z uporabo nanopor z mnogimi implikacijami v biomedicini in v okoljskem monitoringu.
Pomen za razvoj znanosti
Cilj tega predloga projekta je opredeliti nove biološke pore, ki se lahko uporabljajo za zaznavanje majhnih molekul ali velikih polimernih struktur, kot so DNA ali proteini. Takšno zaznavanje lahko uporabimo v različnih aplikacijah, od medicine, biotehnologije, materialov ali v inženirstvu. V tej študiji se bomo osredotočili na dve družini naravnih por, ki imata odlične lastnosti za zaznavanje z nanoporami, že v svoji naravni obliki. Poleg tega bomo te pore dodatno oblikovali na različnih ravneh, da bodo postale primerne za zaznavanje peptidov, proteinov in nukleinskih kislin. Preučili bomo tudi nove membranske sisteme, ki so primerni za vsidranje omenjenih pore in zaznavanje. Raziskali bomo pore iz obeh razredov proteinov ki tvorijo pore (PFPs), torej tiste, ki tvorijo stabilne beta-sodčke v lipidnem dvosloju (tj beta-PFPs), kakor tudi tiste, ki so bolj prilagodljive narave, torej pore, ki vsebujejo alfa-vijačnice (tj alfa-PFPs). Uporaba novih nanopor, kot tudi membranskih materialov bo omogočila razširitev zaznavnih zmogljivosti in razvoj senzorjev, ki lahko nudijo vrhunsko delovanje tudi pri manj optimalnih pogojih v kompleksnih vzorcih (npr. serumu ali vzorcih iz okolja).
Pričakujemo, da bodo naše raziskave ponudile izvirne rezultate na ravni osnovne znanosti, kot tudi praktične uporabe. Nove naravne pore, njihove biokemijske in biofizikalne lastnosti, kot tudi strukture na atomskem nivoju, nam bodo omogočile vpogled v mehanizem tvorbe por in biološko vlogo teh proteinov, od katerih so mnogi toksini. To znanje bo zelo pomembna odskočna deska za nadaljnje raziskave v biološki, kot tudi medicinski smeri. Po drugi strani pa poznavanje sposobnosti zmogljivosti kot tudi selektivnost teh por, ki prenašajo ali vežejo posamezne molekule, lahko uporabimo različne namene uporabe, kot je navedeno na različnih točkah v tem predlogu projekta. Miniaturizacija naprav za zaznavanje diagnostičnih pristopov, zahteva nove molekularne sisteme. Aerolizinom podobnim PFPs in aktinoporini, ki jih bomo proučili v tem predlogu, predstavljajo novo alternativo obstoječim biološkim nanoporam. Poleg vsega imajo biološke nanopore veliko prednosti pred umetno sestavljenimi nanoporami. Biološke pore imajo dobro definirane lastnosti, kot je prevodnost, ki jih je mogoče zlahka modificirati z mestno specifično mutagenezo ali z vstavljanjem majhnih organskih molekul, ki služijo kot adaptoji. Verjamemo, da bo njihova uporaba, skupaj z bolj stabilnimi lipidnimi membranami posnemala razširjen spekter molekul, ki jih lahko vključimo v zaznavanje z nanoporami v prihodnosti.
Pomen za razvoj Slovenije
Predlog projekta je usklajen s slovenskimi in EU znanstveno razvojnimi cilji ter je visoko medsektorski. Predlagani projekt sledi raziskovalnim prioritetam Obzorja 2020: Prihodnje tehnologije, industrijske tehnologije in zdravje. Projekt je usklajen tudi z dejavnostmi v okviru ARRS programske skupine Molekulske interakcije (P1-0391), kjer bomo opravili večino aktivnosti.
Projekt bo zagotovil bistvene informacije o pomembnih družinah proteinov, ki tvorijo pore (PFPs), saj so mnogi člani teh družine toksini, ki običajno delujejo na evkariontske organizme, vključno z živalmi, rastlinami in ljudmi. Na primer, člani aerolizinom podobnim PFPs so prisotni v različnih patogenih bakterijah, kot so Aeromonas, Clostridium ali Bacillus, kjer služijo kot ključni virulenčni dejavniki pri okužbah in zastrupitvah s hrano. V istem času, bodo pomembne informacije, ki izhajajo iz tega projekta, odprle vrata v bodoče izkoriščanje teh proteinov v medicinskih in senzorskih aplikacijah. Kot že rečeno, smo že sodelovali z Oxford Nanopore Technologies, VB, ki že uporablja biološke nanopore v svojih uspešnih platformah za DNA sekvenciranje in tako koristi novo znanje, ki prihaja iz naših raziskav. Poleg tega, je takšne nanopore mogoče uporabiti tudi na drugih področjih zaznavanja, kot tudi pri razvoju drugih sistemov, ki temeljijo na prevodnosti ali transdukciji ionov ter molekul (tj baterije). Tudi nove tehnološke platforme lahko nastanejo iz rezultatov omenjenega predloga.
Ta projekt bo omogočil tudi nadaljnji razvoj in uporabo metod ter protokolov za preučevanje molekularnih interakcij z uporabo najbolj moderne biofizikalne opreme. To bo še dodatno okrepilo vlogo raziskovalnega oddelka v regiji in tudi v Evropi ter na splošno ter omogočilo razvoj pristopov, ki bodo dostopnim raziskovalcem Sloveniji in v tujini. Zlasti lokalna farmacevtska industrija, s katero ima nosilec projekta že vzpostavljeno dobro sodelovanje, je izrazila zanimanje za njihovo uporabo. Zagotovila bo tudi dobre možnosti za usposabljanje za mlade znanstvenike, ki bodo vključeni v vseh fazah projekta.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
