Projekti / Programi
Biološka zdravila: detektor tvorbe proteinskih delcev na osnovi tekočih kristalov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.01 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika kondenzirane materije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P002 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
mehka snov, senzor, tekoči kristali, biološka zdravila, proteini
Raziskovalci (24)
Organizacije (3)
Povzetek
Nadzor in razumevanje agregacije proteinov je danes odprt temeljni in aplikativni izziv pri razvoju in proizvodnji proteinov kot bioloških zdravil, saj vpliva na njihovo funkcionalnost, varnost, čistost, stabilnost njihovih raztopin, pakiranje in transportne metode. Agregacija proteinov tipično ni odvisna le od specifične molekularne strukture proteinov, ampak tudi od številnih (mikro-) okoljskih parametrov, vključno s temperaturo, pH-jem, pufri, surfaktanti, stabilizatorji in tonicifatorji, kar zahteva, gledano z biofarmacevtske perspektive, številne preiskave različnih proteinskih sistemov preden so lahko končne raztopine – biološka zdravila – razvita in poslana na tržišče. Vendar za določanje agregacijskega obnašanja danes obstaja le malo robustnih in učinkovitih metod, ki bi omogočale študije širokega razpona proteinskih molekul in to preko širokega razpona velikosti agregatov, pri čemer je poseben izziv detekcija sub-vidnih proteinskih agregatov. Zato bi razvoj tovrstne tehnologije in novo temeljno znanje v tej smeri pomenilo velik napredek na področju biofarmacevtike. V tem projektu s področja aplikativne fizike mehkih snovi je osrednji cilj razviti konceptualno novo linijo senzorjev za detekcijo vidne in subvidne agregacije proteinov na osnovi tekočekristalnih tekočin in hkrati raziskati vlogo površin na agregacijo proteinov, vse neposredno koristno v biofarmacevtski industriji. Osrednji mehanizem v tem projektu bo izraba tekočekristalnih tekočin kot materialov za optično detekcijo, pri čemer bo zaznavanje temeljilo na selektivni adsorpciji proteinov in/ali njihovih agregatov na stik med raztopino proteinov in tekočih kristalov. Kot posledica prisotnosti agregatov na stičnih površinah se bo spremenila molekularna urejenost tekočekristalnih tekočin, kar pa bomo lahko učinkovito detektirali z različnimi brezkontaktnimi optičnimi metodami. S takim pristopom bomo ustvarili visoko občutljive in hitro odzivne (~ms) optične senzorje agregacije, ki bodo imeli predvideno okno za detekcijo agregatov v območju od vidnih do globoko sub-vidnih velikosti. Osrednja znanstvena vprašanja projekta bodo usmerjena v določitev: (i) vloge geometrije in topologije površin na agregacijo proteinov, (ii) vpliva površin na velikost in lastnosti agregatov, kot tudi na dinamiko agregacije na površini, in (iii) uporabo svetlobe in/ali plazmonike kot mogočih mehanizmov za nadzor agregacije in celo razbitje agregatov. Metodološko bomo v okviru projekta razvili nove pristope za detekcijo proteinskih agregatov na površinah, ki bodo temeljili na polarizacijski, fluorescenčni, in STED mikroskopiji kot tudi optični spektroskopiji. Naštete tehnike so na svetovnem nivoju najsodobnejši pristopi k temeljnim in aplikativnim izzivom moderne biotehnologije in znanosti v splošnem. Projekt bosta izvedli ljubljanska skupina za mehko snov in biofarmacevtska skupina podjetja Lek d.d., del skupine Novartis, ki je industrijski partner tega projekta. Obe skupini sta na svojih področjih svetovno prepoznavni in odlikovani s svojim teoretičnim in eksperimentalnim delom in visokimi znanstvenimi standardi; članki povezani s tem predlogom vključujejo npr. PNAS 2016, Nature Comm. 2016, Sci. Rep. 2016 in Nature Phys. 2015. Socialno-ekonomski rezultati tega projekta bodo omogočili široko razširjanje rezultatov opravljenih raziskav, prispevali k odličnosti Slovenije in mednarodno, ter ustvarili novo temeljno in aplikativno znanju neposredno koristno za slovensko (bio)farmacevtsko industrijo. Splošneje je projekt prispevek k samemu vrh sodobne temeljne in aplikativne biofarmacevtike, z osrednjim ciljem ustvariti nove znanstvene in tehnološke pristope za nadzor organizacije bio-relevantnih makromolekul na mikroskopskem in makroskopskem nivoju.
Pomen za razvoj znanosti
Enaindvajseto stoletje se pogosto označuje kot stoletje biotehnologije, pri čemer je ključen cilj in izziv nadzirati življenje in življenjske mehanizme s pomočjo znanosti in tehnologije. Pri tem lahko že majhni uspehi v tej smeri povzdignejo znanost na nov nivo in služijo v dobrobit človeštva. Predlagani aplikativni raziskovalni projekt je ambiciozen in v vrhu znanosti mehke snovi in biofarmacevtike, ki ustvarja novo pot za prenos znanja in tehnologije med dvema področjema na fundamentalnem in aplikativnem nivoju. Glavni znanstveni doprinos tega predloga bo raziskovanje agregacije proteinov pod vplivom površin, kar je rezultat, ki lahko opazno vpliva na bazične kot tudi aplikativne koncepte v biotehnologiji, farmaciji, medicini in znanosti kondenzirane snovi. Pričakovani rezultati bodo imeli še poseben znanstveni doprinos na področjih: (i) vpliva geometrije in topologije površin na agregacijo proteinov, (ii) vpliva površin na velikost in lastnosti agregatov ter njihovo dinamiko in (iii) uporabi svetlobe in/ali plazmonike kot možnih mehanizmov nadzora agregacije. Glavni metodološki doprinos projekta bo razvoj novih tehnik detekcije agregacije proteinov na površinah, ki bodo osnovane na polarizacijski, fluorescenčni in STED mikroskopiji ter optični spektroskopiji. V projektni skupini je zbrano vrhunsko znanje za izvedbo tega projekta – tako eksperimentalno, kot tudi teoretično – in združuje najnaprednejšo uporabo kompleksnih tekočin ter aplikativno uporabo proteinov v biofarmacevtskih sredstvih. Če posplošimo, je predlagani projekt usmerjen v špico današnje in bodoče biotehnologije, natančneje biofarmacevtike, z namenom razviti nove znanstvene in tehnološke pristope za kontrolo organizacije biorelevantnih makromolekul na mikroskopskem in makroskopskem nivoju.
Pomen za razvoj Slovenije
Slovenija je biofarmacevtiko, področje, znotraj katerega se bodo odvijale aktivnosti projekta, identificirala kot enega od fokusnih področij in tehnologij znotraj prioritetnega področja pametne specializacije Zdravje-medicina, kar se je nedavno samo še potrdilo z odločitvijo o sofinanciranju štiriletnega programa »Nova generacija bioloških zdravil - BioPharm.SI« v vrednosti 6.0 milijonov EUR, ki bo vključeval SMEs, veliko farmacevtsko podjetje Lek in novoustanovljena podjetja, kar skupaj z raziskovalnimi organizacijami ustvarja izjemno kritično maso odličnih deležnikov ter s tem Slovenijo postavlja kot enega globalnih stebrov na področju proizvodnje bioloških zdravil. Za razliko od Biopharm.SI pa je predlagani projekt usmerjen na razvoj inovativnega senzorja/metode za proučevanje stabilnosti biološkega zdravila, kar je ključno v fazah, ki sledijo bioprocesu – čiščenje zdravila, shranjevanje ter formuliranje v končni produkt – vse osrednji procesi pri pripravi bioloških zdravil za na trg.
V Sloveniji imamo vrhunsko znanje in tehnologijo na na prvi pogled nepovezanih področjih – biofarmacija, fizika tekočih kristalov ter znanost mehkih snovi. Utemeljeno verjamemo, da z njihovo integracijo lahko kot eni prvih na svetu izkoristimo nišno priložnost za Slovenijo in da biofarmacevtski panogi ponudimo visoko tehnološko orodje, ki bo omogočalo hitrejši razvoj stabilnega biološkega zdravila. Glede na to, da je lahko vrednost razvoja biološkega zdravila nekaj 100 milijonov EUR, predstavljajo predlagani senzorji možnost za velike prihranke oziroma poslovno priložnost za novo ustanovljeno podjetje na področju senzorike za spremljanje agregacije biološkega zdravila.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
