Projekti / Programi
Biofizika polimerov, membran, gelov, koloidov in celic
01. januar 2022
- 31. december 2027
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| 3.03.00 |
Medicina |
Nevrobiologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
| 3.01 |
Medicinske in zdravstvene vede |
Temeljna medicina |
medmolekulske interakcije, proteini, virusne kapside, RNK, koloidi, nanodelci, tekoči kristali, grafen, organsko-anorganske heterostrukture, močenje, hidratacija, mikrofluidika, laserska pinceta, membrane, vesikli, celice, celični metabolizem, signalizacija, encimi, tkiva, morfogeneza, rak
Podatki za zadnjih 5 let (citati za zadnjih 10 let) na dan
30. marec 2023;
A3 za obdobje 2017-2021
| Baza |
Povezani zapisi |
Citati |
Čisti citati |
Povprečje čistih citatov |
| WoS |
1.236 |
32.011 |
27.050 |
21,89 |
| Scopus |
1.205 |
32.630 |
27.873 |
23,13 |
Raziskovalci (44)
Organizacije (6)
Povzetek
Program Biofizika polimerov, membran, koloidov, gelov in celic je ključna nacionalna raziskovalna enota, ki deluje na področju biofizike. Program pokriva vrsto eksperimentalnih in teoretičnih področij, ki segajo od makromolekularne ravni do celic in organizmov, kakor tudi izbrane dopolnilne teme iz fizike mehke kondenzirane snovi in materialov. Predlagani program se bo v prvi vrsti lotil odprtih temeljnih vprašanj biofizike, kot so regulacija naboja na proteinih, hidratacijske interakcije med biološkimi membranami, termodinamika encimskih mrež in odziv celic na nanodelce, hkrati pa tudi raziskav, ki utegnejo biti zanimive za biomedicinske aplikacije in zdravstveno varstvo, npr. signalnih procesov v celicah trebušne slinavke, povezanih s sladkorno boleznijo tipa 2, in metabolizma rakavih celic. Predlaganih 16 tem je zbranih v 4 sklope, poimenovane Mehki biomateriali, Biološke makromolekule, Vesikli, celice in tkiva ter Signalne poti in metabolizem. Poleg temeljnega jedra tvorijo program še uporabne in klinične raziskave, ki bodo potekale v sodelovanju z razvojno-raziskovalnimi oddelki partnerskih visokotehnoloških podjetij oziroma z bolnišnicami. Tako teoretične kot eksperimentalne teme vključujejo tudi več metodoloških projektov od razvoja računalniških programov za modeliranje epitelijskih tkiv do mikrofluidične enkapsulacije koloidnih delcev v kapljice. Program sestavljajo tako uveljavljeni kot mlajši raziskovalci iz skupin z Instituta Jožef Stefan, Univerze v Ljubljani, Univerze v Mariboru in Univerze v Novi Gorici, katerih znanstveno odličnost med drugim izkazujejo številni članki v najprestižnejših revijah, kot so Nature, Advanced Materials, Nature Chemistry, Proceedings of the National Academy of Sciences USA itd. Mnogi člani programa delujejo tudi kot profesorji oziroma asistenti na omenjenih univerzah, kjer so odgovorni za izvajanje več kot 70 predmetov na vseh treh stopnjah študija, s čimer prispevajo k razvoju visokega šolstva v Sloveniji. Prav tako pomembno je njihovo mentorsko delo z magistrskimi in doktorskimi študenti ter raznovrstne dejavnosti na področju popularizacije znanosti. Člani programa imajo tesne stike z vrsto raziskovalnih skupin in laboratorijev po svetu ter sodelujejo z raziskovalci iz Avstrije, Čila, Francije, Hrvaške, Italije, Japonske, Južne Koreje, Nemčije, Nizozemske, Poljske, Španije, Švedske, Velike Britanije in ZDA. Obenem so vključeni v več evropskih in drugih mednarodnih mrež ter v mnoge bilateralne projekte, soorganizirajo znanstvena srečanja in poletne šole, gostujejo kot profesorji na univerzah v tujini, delujejo kot uredniki in člani uredniških odborov mednarodnih revij ter pišejo knjige in učbenike. Program predstavlja hrbtenico razvoja biofizike v Sloveniji ter tvorno in stimulativno okolje tako za vključene raziskovalce in študente kakor tudi za druge, ki delujejo na tem področju ali jih to zanima.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagani raziskovalni program je tesno vpet v sodobno fiziko, biofiziko in medicino tako na temeljni kot na aplikativni in klinični ravni. Program tvorijo štirje sklopi: Mehki biomateriali, Biološke makromolekule, Vesikli, celice in tkiva ter Signalne poti in metabolizem, ki so označeni z A, B, C oziroma D. Vsak sklop vsebuje preplet študij, ki povezujejo teoretične koncepte s praktičnimi vprašanji, npr. z razumevanjem kavitacije vode v rastlinah, z rabo nizkodimenzionalnih materialov kot alternativnega pristopa k miniaturizaciji elektronike in s podrobnim vpogledom v mehanizme nastanka sladkorne bolezni. Obenem je za mnoge dele programa značilen metodološki element, npr. razvoj teoretičnega okvira, eksperimentalne tehnike ali računskega modela, nekateri pa so relevantni tudi s kliničnega vidika. Sklop A, ki sodi tako v fiziko mehke snovi kot v znanost o materialih, lepo odraža omenjeno večplastnost. Teoretične raziskave prenosa hierarhične ureditve z nanoskopskega na mikroskopski nivo v novih tekočekristalnih materialih bodo služile kot model za ta pojav v kompleksnejših bioloških molekulah. Ta povsem fizikalni izziv bodo člani programa dopolnili s karakterizacijo tekočekristalnih faz, ki vsebujejo zvezne mreže, kar bo omogočilo rabo teh materialov pri dostavi zdravil, organskih elektronskih napravah, pretvorbi energije itd. Tekoči kristali so tudi osnova dinamično odzivnih materialov, ki jih želijo člani programa razviti opirajoč se na kapljično mikrofluidiko, optofluidično enkapsulacijo, tvorbo kompleksnih emulzij ter manipulacijo z lasersko pinceto, temperaturnimi gradienti in mikrostrukturiranimi površinami. Te procese bodo uporabili pri zasnovi anizotropno omočenih pametnih površin ter kapljičnih, mikrofluidičnih in optičnih senzorjev, izjemno občutljivih na mehanske, kemične in biomolekularne spremembe. Proti aplikacijam bo usmerjeno tudi eksperimentalno delo na področju 2D heterostruktur, ki so zelo zanimive za senzorske aplikacije. Člani programa se bodo osredotočili tudi na vlogi moduliranja recipročne mreže in nabitih delcev v mejnih plasteh 2D heterostruktur pri transportu nosilcev naboja. To je nov pristop k razumevanju teh materialov, pričakovani rezultati pa bodo izhodišče za njihovo morebitno uporabo v elektronskih komponentah. Po drugi strani bodo raziskave hidratacijskih interakcij in omakanja pretežno teoretične, saj bodo obravnavale temeljne količine in pojave, kot so kontaktni kot, adhezijska energija in trenje; ti so obenem ključni za vedo o materialih in za številne tehnologije. To velja tudi npr. za raziskave bioloških sistemov pri negativnih tlakih, ki se hkrati nanašajo na žilnotransportni sistem rastlin in na tehnološke aplikacije, kot sta sonoporacija in litotripsija. Tudi raziskave interakcij med deformabilnimi nanokoloidnimi delci bodo prispevale po teoretični plati, in sicer k razumevanju kontaktnega problema; podobno velja za študij kvazikristalov in hiperuniformnosti. Tudi za ostale tri sklope so značilne temeljne, metodološke in aplikativne vsebine. Sklop B, ki se nanaša večinoma na elektrostatične lastnosti proteinov in DNK, zgradbo virusnih kapsid ter sekundarno strukturo RNK, je pretežno temeljnega značaja. Za sklop C je značilen izrazit metodološki moment, saj vključuje razvoj ogliščnega modela, s katerim so člani programa v večinoma mehanističnem okviru numerično že raziskali več struktur in procesov v epitelijskih tkivih in ki ga bodo pospešili z metodami strojnega učenja. Poleg vrste teoretičnih vprašanj, ki se jih bodo lotili z ogliščnim modelom in ki se npr. nanašajo na zgodnji embrionalni razvoj vinske mušice kakor tudi na fizikalni opis organoidov, je cilj članov programa ponuditi razvito numerično implementacijo modela strokovni javnosti v prosto uporabo. Znaten del programa - predvsem sklop D - povezuje temeljne biofizikalne koncepte z aplikativno biomedicino. S študijem energijskih in signalnih procesov, vpletenih v izločanje glukagona, bodo člani programa preučili biofizikalne mehanizme delovanja celic alfa v trebušni slinavki. To bo prispevalo k razumevanju sladkorne bolezni tipa 2. Raziskave delovanja encimov, encimskih mrež in signalnih poti, pri katerih se bodo oprli na načelo maksimalne proizvodnje entropije, bodo med drugim uporabili za analizo vpliva nutracevtikov s protivnetnim delovanjem. V nekaterih primerih bi ti lahko bili primerno nadomestilo za nesteroidne antirevmatike, saj imajo manj stranskih učinkov. Do praktičnih rezultatov na kliničnem področju utegne voditi tudi študij sprememb metabolnih poti pri rakavih obolenjih, predvsem pri raku dojke; člani programa bodo proučili tudi metabolno inducirano odlepljanje rakavih celic. Podobno velja za razvoj nove mikrofluidične metode, ki bo omogočila natančno časovno analizo odziva posameznih celic in sintetičnih vesiklov na terapevtske učinkovine. Člani programa se bodo posvetili študiju učinkovin, katerih delovanje je povezano z nespecifično interakcijo s celično membrano, npr. antimikotikov za boj proti trosovskim parazitom in proteinov iz družine NLP, ki so vpleteni v okužbe najpomembnejših poljščin. Naposled se nekatere predlagane teme nanašajo na vprašanje nastanka življenja pred milijardami let, za kar je bila ključna ločitev celice od okolice. Izbrane vidike nastanka življenja je moč zajeti s sintetičnimi vesikli, ki se v primernih okoliščinah lahko v laboratoriju delijo ter združujejo v skupke. Podrobno razumevanje teh procesov bo pripomoglo tudi k vpogledu v mehaniko delitve celic in v strukturo embriev v zgodnjih fazah razvoja.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskovalni program P1-0055 povezuje vrhunske raziskovalke in raziskovalce s področja biofizike z Instituta Jožef Stefan in s treh slovenskih univerz - Univerze v Ljubljani, Univerze v Mariboru in Univerze v Novi Gorici - ter s tem zagotavlja, da je Slovenija aktiven soustvarjalec tega pomembnega in vse hitreje razvijajočega se področja. Člani programa s svojimi temeljnimi in aplikativnimi raziskavami ustvarjajo novo znanje na vseh ravneh delovanja bioloških sistemov od molekul do celic in tkiv kakor tudi na področju novih kompleksnih materialov, ga delijo s širšim družbenim prostorom ter tako pomembno prispevajo k družbenoekonomskemu in kulturnemu razvoju Slovenije. Kot eno od najpomembnejših jeder raziskovalnega dela na področju biofizike in fizike mehke snovi v državi je program pomemben za razvoj Slovenije v prvi vrsti zaradi ekspertnega znanja članov; tem bolj zato, ker so nekateri od njih edini strokovnjaki za svoje področje v državi. Veliko raziskovalnih tematik s teh področij obstaja in uspeva v Sloveniji prav zato, ker so se z njimi pričeli ukvarjati člani programa; to velja npr. za področja organskih polprevodnikov, fizikalne virologije, mehanike celic in tkiv ter analize dinamičnih sistemov v biomedicini. Člani programa sodelujejo z mnogimi kolegi z vrhunskih univerz in laboratorijev po svetu ter s svojo tesno vpetostjo v mednarodno znanstveno skupnost prispevajo k internacionalizaciji slovenskega raziskovalnega okolja. Tesno sodelujejo tudi z nekaterimi slovenskimi znanstveniki, ki delujejo v tujini, in jim omogočajo, da lahko ti pridobljeno znanje v čim večji meri prenesejo v domovino. O visoki ravni raziskovalnih rezultatov programa pričajo med drugim objave v najprestižnejših revijah in predavanja na vrhunskih mednarodnih znanstvenih srečanjih. Prenos znanja na mlade je drugi ključni vidik programa, ki je širšega družbenega pomena. Raziskovalni program omogoča pridobivanje specifičnih znanj, iz katerih izhajajo specialistični predmeti, ki so bistveni za kakovosten in sodoben študij na drugi in tretji stopnji. Člani programa so nosilci okoli 70 predmetov na vseh stopnjah študija na omenjenih univerzah in s tem pomembno sooblikujejo visokošolski prostor v Sloveniji. Več članov programa je gostovalo na univerzah v tujini ter tam predavalo, domala vse skupine programa pa so za krajši ali daljši čas gostile tuje študente. Znanstvene vsebine, povezane s programom, niso vključene le v fizikalne predmete, temveč v obliki samostojnih učnih enot tudi v mnoge druge, npr. v študij medicine in biologije, zdravstvenih ved, ekologije z naravovarstvom, bioinformatike ter v izobraževanje učiteljev v osnovnih in srednjih šolah. Poleg poučevanja ter priprave učbenikov in drugega študijskega gradiva je zelo pomemben segment dela članov programa tudi mentorstvo na vseh stopnjah študija; obseg tega angažmaja najbolje ilustrira dejstvo, da je v l. 2010-2021 v okviru programa doktoriralo kar 35 študentov. Del dejavnosti programa ima tudi didaktične elemente, ki so za razvoj sodobne, na znanju temelječe družbe še kako pomembni. Poleg novih pristopov k poučevanju fizike preučujejo člani programa tudi možnosti za vključevanje z raziskovalnim programom povezanih sodobnih fizikalnih vsebin, kot so tekoči kristali, v pouk na osnovnošolski in srednješolski stopnji. Obenem so prav te vsebine, ki jih sicer v učnih načrtih ni, izvrstna prilika za prepoznavanje nadarjenih, a deprivilegiranih učencev. V sodelovanju s specialnimi didaktiki in praktiki so člani programa razvili sistem, s katerim je mogoče ob primernih eksperimentalnih aktivnostih prepoznati take učence. Ob teh specifičnih vidikih prenosa strokovnega znanja na širšo javnost redno sodelujejo tudi pri popularizaciji znanosti tako skozi predavanja in predstavitve na srednjih šolah kot s sodelovanjem na znanstvenih sejmih, nočeh raziskovalcev, fizikalnih taborih in dnevih odprtih vrat ter z nastopi v radijskih in televizijskih oddajah in s prisotnostjo v tiskanih in spletnih medijih. S tem se posvečajo ozaveščanju javnosti o možnostih, ki jih raziskovalno delo nudi za izboljšanje kakovosti življenja. Ob tem velja izpostaviti angažma članov programa v času epidemije COVID-19 pri informiranju tako strokovne kot laične javnosti glede kapljičnega in aerosolnega prenosa okužb. Pomemben vidik dela programa je tudi soustvarjanje slovenske strokovne terminologije na področjih, s katerimi se ukvarjajo člani programa; k temu prispevajo skozi predmete, ki jih predavajo, in s članki v slovenskem jeziku. Težišče programa je sicer na temeljnih raziskavah, a del rezultatov je zanimiv tudi za slovensko industrijo in zdravstvo, o čemer pričajo številni projekti, ki so jih izvedli za podjetja in zdravstvene ustanove. Člani programa so tako v preteklem obdobju delali na skupnih projektih z visokotehnološkimi podjetji, kot so Lek, Krka, Acies Bio, Kolektor Sikom, Vitiva in Aresis, obenem pa so tudi nosilci več domačih in tujih patentov. Na različnih področjih sodelujejo tudi z bolnišnicami, zdravstvenimi domovi, Nacionalnim laboratorijem za zdravje, okolje in hrano ter z Zavodom za zdravstveno zavarovanje Slovenije. Dolgoročen vpliv na razvoj družbe je pričakovati še od sodelovanja članov programa v strateškem flagship projektu Evropske komisije Graphene. Angažma raziskovalcev in študentov, vključenih v ta projekt, ni pomemben le zaradi pričakovanih rezultatov njihovega znanstvenega dela, temveč tudi zato, ker skozi ta projekt učinkovito prispevajo k širjenju znanja s področja kvantnih tehnologij na ravni države.
