Nalaganje ...
Projekti / Programi vir: ARRS

Sonogenetika - ultrazvočna regulacija izražanja tarčnih genov

Raziskovalna dejavnost

Koda Veda Področje Podpodročje
4.06.00  Biotehnika  Biotehnologija   

Koda Veda Področje
T490  Tehnološke vede  Biotehnologija 

Koda Veda Področje
3.04  Medicinske in zdravstvene vede  Medicinska biotehnologija 
Ključne besede
sonogenetika, ultrazvok, proteinski plinski mehurčki, sintetični od kalcija odvisni transkripcijski faktor na osnovi proteina NFAT
Vrednotenje (pravilnik)
vir: COBISS
Raziskovalci (16)
št. Evidenčna št. Ime in priimek Razisk. področje Vloga Obdobje Štev. publikacij
1.  14360  dr. Mojca Benčina  Biotehnologija  Vodja  2019 - 2022  375 
2.  53354  Petra Dekleva    Tehnični sodelavec  2020 
3.  36426  dr. Anja Golob Urbanc  Biotehnologija  Raziskovalec  2019 - 2022  24 
4.  23563  dr. Iva Hafner Bratkovič  Nevrobiologija  Raziskovalec  2019 - 2022  195 
5.  06628  dr. Roman Jerala  Biokemija in molekularna biologija  Raziskovalec  2019 - 2022  1.130 
6.  34252  dr. Tina Lebar  Biokemija in molekularna biologija  Raziskovalec  2019 - 2020  66 
7.  52428  Sanjin Lulić    Tehnični sodelavec  2019 - 2020 
8.  53665  Špela Malenšek  Biokemija in molekularna biologija  Raziskovalec  2020  14 
9.  21426  dr. Mateja Manček Keber  Farmacija  Raziskovalec  2019 - 2022  148 
10.  53733  Matea Maruna  Biokemija in molekularna biologija  Raziskovalec  2020 - 2022 
11.  38257  dr. Maja Meško  Biotehnologija  Mladi raziskovalec  2019 - 2020  13 
12.  23939  dr. Martina Mohorčič  Biotehnologija  Raziskovalec  2019 - 2022  30 
13.  38275  Anja Perčič    Tehnični sodelavec  2019 - 2022 
14.  39111  dr. Tjaša Plaper  Biokemija in molekularna biologija  Mladi raziskovalec  2019 - 2022  22 
15.  55061  Tina Strmljan    Mladi raziskovalec  2021 - 2022 
16.  54954  Ana Županič    Tehnični sodelavec  2020 - 2021 
Organizacije (1)
št. Evidenčna št. Razisk. organizacija Kraj Matična številka Štev. publikacij
1.  0104  Kemijski inštitut  Ljubljana  5051592000  20.840 
Povzetek
Optogenetika, ki temelji na prostorsko in časovno osnovanem svetlobnem signalu, ima pomembno vlogo v raziskavah ved o življenju, saj omogoča preučevanje celičnih funkcij v živih organizmih ter natančen nadzor nad transkripcijsko aktivnostjo celic. Z uporabo svetlobe lahko sprožimo začetek terapije različnih metabolnih in nevrodegenerativnih bolezni. Uporabo svetlobe v globljih tkivih omejuje sipanje svetlobe, kar pa ne velja za ultrazvok. Podobno kot svetlobni signal tudi ultrazvok omogoča generiranje natančnih, fokusiranih in programiranih signalov z visoko stopnjo penetracije tudi v globlja tkiva. S tem se odpirajo možnosti za nadzor celic na daljavo, kar bi prineslo izjemne možnosti za različne aplikacije v medicini in biotehnologiji ter za razumevanje mehanizmov mehanosenzorike. Kljub tehnološkemu napredku in velikemu potencialu ultrazvočne stimulacije v predkliničnih poskusih, pa ultrazvočna manipulacija celic trenutno ne dosega preciznosti in tarčne specifičnosti optogenetike. Cilj predlaganega projekta je razvoj sistema, ki bi z ultrazvočnim valovanjem omogočal neinvazivno stimulacijo celic v globljih tkivih. S pomočjo ultrazvočnega signala bi tako lahko sprožili izražanje tarčnih genov v sesalskih celicah znotraj natančno prostorsko in časovno omejenega območja. Naš cilj je razvoj orodij sonogenetike, ter njihova nadaljnja nadgradnja z namenom razvoja metode kot alternative optogenetike. Občutljivost sesalskih celic na ultrazvočno valovanje želimo povečati s pomočjo proteinskih plinskih mehurčkov (ang. gas vesicles; GV), ki bodo genetsko kodirani ter bodo omogočali tudi ciljano vezavo na tarčne celice. Proteinske plinske mehurčke bomo izrazili v sesalskih celicah in s tem povečali občutljivost celic na ultrazvočno valovanje. V nadaljevanju bomo izpopolnili sistem za transkripcijsko aktivacijo sesalskih celic, katerega osnovo predstavljajo sintetični od kalcija odvisni transkripcijski dejavniki na osnovi transkripcijskega dejavnika NFAT (ang. nuclear factor of activated T-cells). Za izboljšanje signala nad ozadjem bomo načrtovane transkripcijske dejavnike pripravili na način, da bodo sidrani v celično membrano prek signalnega peptida, katerega vezava v membrano je odvisna od elektrostatskega potenciala membrane. Poleg tega bomo znotraj pripravljenih transkripcijskih dejavnikov modificirali signale za prehod v jedro (ang. nuclear localization signal; NLS) in iz jedra (ang. nuclear export signal; NES). Na koncu želimo pokazati delovanje sistema in vivo v medicinsko uporabnih aplikacijah. Po vzoru optogenetike, ki je povzročila revolucionarne premike na področju sintezne biologije in drugih ved o življenju, predlagamo inovativen pristop pri razvoju sonogenetike, katere glavna prednost je možnost natančno prostorsko omejenega ultrazvočnega signala, ki lahko prodira tudi v globlja tkiva. Glavni prispevek k razvoju sonogenetike predstavlja predlagana strategija za povečanje občutljivosti celic na ultrazvok s pomočjo uvajanja samosestavljivih akustičnih proteinskih nanostruktur in načrtovanjem od kalcija odvisne signalne poti na osnovi proteina NFAT. Rezultati projekta bodo poleg direktnih aplikacij ponudili tudi pomemben vpogled v mehanizme zaznavanja mehanskih dražljajev v sesalskih celicah. Poleg same potrditve koncepta sonogenetike bodo rezultati omogočili uporabo sistema v različnih specifičnih aplikacijah, npr. za lokalno in situ izražanje želenih rastnih faktorjev v tarčnih regijah možganov bolnikov s Parkinsonovo boleznijo ali za zaviranje kroničnega vnetja, prisotnega pri nevrodegenerativnih boleznih.
Pomen za razvoj znanosti
Neinvazivna in nadzorovana priprava biološko aktivnih spojin v celicah predstavlja pomemben temelj za raznolike tehnološke, terapevtske in diagnostične aplikacije. V primerjavi z optogenetiko ima sonogenetika večji uporaben potencial, predvsem zaradi neinvazivnosti metode, ki v primeru optogenetike omejuje širšo terapevtsko uporabo. Poleg tega se ultrazvok že dolgo uporablja v diagnostiki in je njegova uporaba v medicini dokazano varna. Rezultati v okviru projekta bodo poleg potrditve koncepta sonogenetike, vključevali orodja za časovno ter prostorsko nadzorovano stimulacijo celic z namenom priprave biološko aktivnih spojin. Načrtujemo pripravo gensko kodiranih proteinskih mehurčkov iz bakterij ter njihovo izražanje v sesalskih celicah za povečanje občutljivosti celic na ultrazvok. V nadaljevanju bomo razvili od kalcija odvisno signalno pot, ki se aktivira ob povišanju znotrajcelične koncentracije kalcija in sproži načrtovano od NFAT odvisno aktivacijo prepisovanja genov. Predlagani interdisciplinarni pristop združuje znanja s področja sintezne in celične biologije ter imunologije in tako predstavlja inovativen prispevek v omenjenih disciplinah. Prav tako bi rezultati projekta ponudili možnost za nove terapevtske pristope pri številnih obolenjih, npr. v imunoterapiji, nevroloških in metabolnih obolenjih. Interdisciplinarna narava projekta odpira številne možnosti za mednarodna sodelovanja z raziskovalci, npr. v okviru programov EU ter bilateralnih projektov (nekateri od njih našteti v poglavju 9.2) ter predvideva vključitev novih doktorskih in dodiplomskih študentov v raziskovalno skupino. Nastala intelektualna lastnina bo ustrezno zaščitena s pomočjo patentnih vlog in z možnostjo za nastanek “spin off” podjetij s specializacijo na področju sonogenetike. Člani raziskovalne skupine bodo prenašali pridobljeno znanje v znanstveno skupnost. Rezultati dela bodo akademski sferi in industrijskim partnerjem dostopni prek predstavitev na mednarodnih delavnicah in konferencah ter v obliki objavljenih člankov v strokovnih recenziranih revijah.
Pomen za razvoj Slovenije
The ability to trigger production of bioactive compounds by cells in a noninvasive manner has significant technological, therapeutic and diagnostic application. Sonogenetics has even greater translation potential than optogenetics due to the demonstrated lack of negative adverse effects in diagnostic ultrasound and primarily due to its noninvasiveness, which is probably the most important obstacle to wider therapeutic applications of optogenetics in neurologic diseases.  The project will provide proof-of-concept results, which involve tools for fast spatiotemporal stimulation of cells and local production of bioactive compounds. We plan to engineer the bacterially encoded protein-based gas vesicles to target mammalian cells and enhance ultrasound stimulation. Furthermore, to improve signal-to-background response we will develop a calcium-responsive transducing signaling pathway that couples increased cytosolic calcium ion concentration to the engineered NFAT-based transcription activation. Our interdisciplinary approach combining the expertise from synthetic and cell biology, and immunology represents an innovative and original contribution in these very competitive disciplines and might open new therapeutic possibilities in a variety of diseases; e.g. immunotherapy, neurologic and metabolic diseases. The interdisciplinary nature of the project opens new possibilities for international cooperation with researchers e.g. within EU programs and bilateral projects (some listed in Section 9.2) and will recruit new PhD and undergraduate students. The developed IP will be protected in form of patent applications and the formation of spin offs specialized in the sonogenetics will be considered. Furthermore, members of the research group will pass their knowledge to the scientific community through training. Results will be shared with academics (international workshops and conferences) and industrial partners and communication activities will be carried out through the project website, promotional materials, and publication of scientific papers in peer-reviewed journals (open access).
Najpomembnejši znanstveni rezultati Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zgodovina ogledov
Priljubljeno