Projekti / Programi
Eksperimentalna biofizika kompleksnih sistemov
01. januar 2004
- 31. december 2008
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B260 |
Biomedicinske vede |
Hidrobiologija, morska biologija, ekologija voda, limnologija |
Biofizika, membrane, celice, tkiva, magnetne resonance, spinski označevalci, spinski lovilci, antioksidativni procesi, simulacije spektrov, liposomi, nanodelci, oksimetrija , lastna difuzija, odmev spinov, porozna heterogena struktura, pretok, kromatografija, agrotehnika, katalizatorji
Raziskovalci (21)
Organizacije (2)
Povzetek
Na osnovi številnih izkušenj različnih tehnik in pristopov elektronske paramagnetne resonance-EPR (spinsko označevanje - SL EPR, koncentracijsko slikanje-CI EPR, kinetično slikanje z-KI EPR in enodimenzionalno slikanje - 1D EPR) in izkušenj pri razvoju simulacijskih orodij za karakterizacijo kompleksnih biosistemov kot so biomembrane ali membranski proteini bomo nadaljevali raziskave:
-glikoziliranih celičnih površin, njihove reologije, dinamike in funkcije s pomočjo spinskega označevanja celičnih površin, simulacij agregiranja sladkornih verig ter SAXS raziskav (small angle X-ray scattering),
-prenosa signalnih poti ter različnih interakcij med različnimi konstituenti biomembran, kot so encimi, črpalke, receptorji, membranske domene in rafti, glikokaliks, itd., in na podlagi teh ugotovitev razikave možnosti uporabe lipidnih modelnih sistemov za razvoj lipidnih biosenzorjev,
-funkcionalnih lastnosti določenih membranskih proteinov s spinskim označevanjem njihovih aktivnih mest ter raziskave konformacijskih stanj ter nizko-ločljive strukture membranskih proteinov s pomočjo SDSL EPR (site directed spin labeling EPR in GHOST kondenzacijo),
-vplivov biološko aktivnih snovi (kemoterapevtikov, toksinov, anestetikov, ipd.) na lateralno strukturo in funkcijo membranskih domen ter na antioksidativne lastnosti modelnih celic oz. celic različnih celičnih linij, s posebnim poudarkom na študiju nelinearnih pojavov v bioloških sistemih,
-struktur lipidnih nanonosilcev za ciljan transport zdravilnih učinkovin v tkiva s posebnim poudarkom na razumevanju mehanizmov transporta, mehanizmov interakcij nanostruktur s celicami (zlivanje, endocitoza, adsorpcija) in porazdelitev učinkovin,
-reaktivnih prostih radikalov in zaščite pred njihovim delovanjem z metodo spinskih lovilcev
-oksigenacije celic in tkiv v različnih patoloških procesih z EPR oksimetrijo in vivo in vpliv različnih terapij (radioterapije, kemoterapije, elektroterapije in njihove kombinacije) na oksigenacijo in na učinkovitost terapij.
Drug del raziskav je povezan z uporabo metod magnetne resonance za proučevanje različnih bioloških procesov in vivo in in vitro. Pri preiskovalnih metodah ima pomembno vlogo MR mikroskopija in spektroskopske metode z MR, predvsem vodikova in fosforjeva spektroskopija. Problematika, ki jo bomo obravnavali s temi metodami pokriva področja:
-Proučevanje procesa raztapljanja krvnih strdkov. V tem primeru lahko z dinamičnim MR slikanjem proučujemo učinkovitost različnih zdravil in pristopov pri raztapljanju krvnih strdkov v umetnem sistemu krvnega obtoka. Tovrstne raziskave bodo lahko veliko pripomogle k bolj učinkovitemu zdravljenju infarktnih stanj.
-Uporaba MR v stomatologiji. V tem primeru nameravamo pokazati, da lahko z MR mikroskopijo dobimo dosti bolj natančne slike zobne pulpe, kot nam jih doslej omogočajo standardne metode rentgenskega slikanja. To je predvsem pomembno in uporabno pri ondodontski stomatolških posegih.
-Rast in proučevanje poškodb dreves. Pri celjenju poškodb dreves je zanimivo poznati porazdelitev vode v poškodovanem tkivu. Tudi v tem primeru si lahko veliko pomagamo z MR mikroskopijo. Ta nam namreč omogoča posneti visokoločljive slike porazdelitve vode v lesu.
-Proučevanje poroznih materialov z metodami merjenja difuzije z MR. Difuzija v tekočinah se lahko precej razlikuje glede na to, ali je tekočina prosta ali pa je omejena s porami. V slednjem primeru prihaja namreč do pogostih trkov molekul s stenami por. Njihovo dinamiko lahko proučujemo s pomočjo modernih metod merjenja difuzije.
-MRI je med najbolj primernimi metodami za opazovanje zrnate snovi, še posebej za sledenje gibanja delcev. MRI je nedestruktivna metoda, omogoča slikanje poljubnega preseka vzorca in merjenje hitrosti gibanja delcev. Med aktualnimi problemi kjer lahko z uporabo MRI pričakujemo koristne rezultate so: opazovanje konvekcijskih tokov, slikanje porazdelitve mehanskih napetosti pred zdrsi...
Pomen za razvoj znanosti
Številne publikacije v uglednih mednarodnih revijah, vabljena predavanja na mednarodnih konferencah in tujih univerzah dokazujejo, da predstavlja delo raziskovalne skupine relevanten prispevek v svetovni fond znanja. Z razvojem metode na osnovi SDSL EPR in simulacij lokalnih konformacijskih prostorov smo na molekularni skali ponudili alternativo obstoječim visoko-ločljivim strukturnim karakterizacijam proteinov in njihovih kompleksov, kjer predvsem v fizioloških pogojih in pri hitrih dinamičnih pojavih skoraj povsem odpovejo. Z uporabo te tehnologije nam je že uspelo določiti strukturo glavnega plaščnega proteina bakteriofaga M13 v lipidnih dvoslojih ter C-terminalnega konca nukleoproteina virusa ošpic v kompleksu z XD delom phosphoproteina istega virusa Z razvojem nove metodologije na osnovi EPR spektroskopije, simulacij EPR spektrov, dHEO optimizacij in GHOST kondenzacije pa smo prispevali k razjasnitvi enega pomembnejših problemov membranske biofizike, t.j. problema lateralne strukturiranosti oz. membranskih domen in vloge slednjih pri medceličnih interakcijah ter interakcijah z biokativnimi snovmi. V kombinaciji z ozkokotnim rentgenskim sipanjem (SAXS) in infra-rdečo spektroskopijo na atenuiran totalni odboj (ATR-FTIR) pa smo na biološko relevantni nano-sekundni časovnih skali pri fizioloških pogojih omogočili raziskave tistih kompleksnih sistemov, ki so preobčutljivi na zunanje pogoje in se jih ne da raziskovati z enostavnimi pristopi. Rezultati podirajo staro paradigmo, da aktivne membranske procese določajo v glavnem lastnosti membranskih proteinov. Naše raziskave so nasprotno odkrile pomembno vlogo membranskih domen, glikoziliranih membranskih površin in različne vodne dinamike na membranskih površinah v mnogih bioloških procesih. Predstavljen razvoj omogoča raziskave interakcij bioaktivnih snovi in nanodelcev z biološkimi snovmi, iz česar so izhajale tudi naše aplikativne raziskave antimikrobnih površin Z razvojem posebnih metod MRI, kot so posebne hitre metode, metode difuzijskega slikanja in slikanja v šibkem polju, je omogočen nedestruktiven in bolj učinkovit vpogled v do zdaj neznane dinamične pojave in strukturiranost na mikrometrski skali v bioloških sistemih in vivo. Z novimi metodami smo prispevali k razumevanju mehanizma nastajanja in razpadanja netkivnih skupkov celic, npr. pri trombolizi in raztapljanju krvnih strdkov. Z izboljšanjem kontrasta metod MRI pa je omogočeno kontrolirano sproščanje učinkovin iz tablet . Razvili smo novo nedestruktivno metodo za določaje lesne vlažnosti s pomočjo NMR in tehtanja vzorca. S 3D-MRI visoke ločljivosti pa je možna določitev anatomske strukture lesnih tkiv in porazdelitve vode v lesu na nedestruktiven način. Z razvojem NMR metoda moduliranih gradientov pa smo prvi izmerili spekter hitrostnih korelacij molekul v poroznem sistemu in zrn v utekočinjeni sipki snovi, kar lahko vodi k razumevanju narave dinamike v kompleksnih sistemih in določanju dinamičnih količin kot so difuzija in pretok delcev, korelacije gibanja in za ugotavljanje kvalitete materialov Razvoj metod slikanja v šibkem polju pa je odprlo nove raziskovalne možnosti, saj pri slikanju v šibkem polju poteka relaksacijska dinamika drugače kot v visokem polju, s čimer omogoča komplementarne meritve spektrov in medspinskih interakcij. Odkritja, ki jih lahko prinese to delo, so izjemnega pomena predvsem pri razumevanju mehanizmov pri patoloških pojavih in zdravljenju slednjih. Izpostavimo pa naj tudi izjemno interdisciplinarnost raziskav na področju naravoslovja, biotehnologije in medicine. S povezovanjem različnih ekspertnih znanj premikamo meje znanja na posameznih področjih od fizike do biologije, farmacije in medicine. Hkrati pa s fizikalnim pristopom raziskovanja omogočamo odkrivanje mehanizmov strukturiranosti, samoorganizacije in dinamike kompleksnih bioloških sistemov.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskave membran, tkiv in organizmov nas vodijo do mehanizmov interakcij v bioloških sistemih in razumevanja patofizioloških stanj, kot so npr. rak in žilna obolenja. Z novimi spoznanji v strukturni biofiziki proteinskih kompleksov želimo podkrepiti razvoj protivurisnih zdravil, z raziskavami v membranski biofiziki in z razvojem oksimetrije pa izboljšati razumevanje in zdravljenje rakastih obolenj ter učinkovitost/varnost dostavnih sistemov za farmacevtske učinkovine, kar je pomembno za farmacevtsko industrijo. Na osnovi poznavanja interakcij v membranah lahko razvoj biosenzorjev omogoči nadzor vsebnosti pesticidov v živilih in v okoljskih vzorcih ter zaznavanja živčnih strupov. Razumevanje interakcij med celicami in nanodelci pa vodi do industrijsko varnih in zanimivih aplikacij samočistilnih površin, kar dokazujejo obstoječa sodelovanji z domačo industrijo (Gorenje, Vinprom) ter Republiško veterinarsko upravo pri razvoju alternativnega zagotavljanja čistih površin v prostorih skladiščenja in obdelave hrane. Z razvojem metod slikanja z magnetno resonanco direktno prispevamo k razvoju medicinske diagnostike in vivo ter izobraževanju osebja, ki izvaja klinično diagnostiko, s čimer neposredno dvigujemo kvaliteto zdravstevnih storitev. Razvoj MRI ima tudi izreden pomen pri zdravljenju krvnih strdkov in pljučne embolije ter sledenju poti zdravilnih učinkovin pri različnih zdravljenjih. Omogoča pa tudi optimizacijo toplotne obdelave hrane, npr. nadzor kvalitete hrane pri instantiranju, peki. Poznavanje translacijske dinamike vodi k razumevanju narave gibanja v kompleksnih sistemih in k izboljšavam tehnoloških procesov. Skupina skrbi za pretok visoko izobraženega kadra (npr. mladih doktorjev znanosti) v industrijo Samo v zadnjem letu se je ena doktorica znanosti, ki je bila mlada raziskovalka v naši skupini, zaposlila v Leku, drugi naš doktorand iz zadnjega leta pa se je zaposlil kot asistent na BF UL. Trenutno poteka usposabljanje treh mladih raziskovalcev ter ene mlade raziskovalke za potrebe podjetja (Ekoprodukt). V okviru prenosa znanja v podjetja pa naj poudarimo vpeljavo ultrazvočnega testiranja kvalitete cementa (Anhovo, Srpenica). S posebnim razvojem, posvečenim izboljševanju izobraževanja ter popularizaciji znanosti, čemur skupina posveča precej pozornosti, omogočamo razvijanje abstraktnega mišljenja pri mladih. S tem skrbimo za ustvarjanje usklajene mikroskopske slike o zgradbi snovi in dinamiki mikroskopskih delcev ter povezovanje mikroskopske slike z makroskopskimi lastnostmi snovi in živih sistemov. Z novimi pristopi v pedagoškem procesu spodbujamo inovativnost na srednješolskem in univerzitetnem nivoju preko razvijanja višjih kognitivnih sposobnosti in abstraktnega mišljenja, ki bo na dolgi rok vplivalo na razvoj novih kvalitetnih kadrov in s tem na dvig konkurenčnosti slovenskega gospodarstva.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
