Projekti / Programi
Molekularna biotehnologija: od dinamike bioloških sistemov do aplikacij
01. januar 2004
- 31. december 2008
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.06.00 |
Biotehnika |
Biotehnologija |
|
| 1.05.00 |
Naravoslovje |
Biokemija in molekularna biologija |
|
| 1.09.00 |
Naravoslovje |
Farmacija |
|
| 3.01.00 |
Medicina |
Mikrobiologija in imunologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T490 |
Tehnološke vede |
Biotehnologija |
| B230 |
Biomedicinske vede |
Mikrobiologija, bakteriologija, virologija, mikologija |
| B510 |
Biomedicinske vede |
Infekcije |
| B725 |
Biomedicinske vede |
Diagnostika |
| P310 |
Naravoslovno-matematične vede |
Beljakovine, encimologija |
molekularne osnove bolezni, lipopolisaharid, celični receptorji, signalizacija, sepsa, biosenzorji, protitelesa, biotehnologije, prioni, antimikrobne učinkovine, primarni metabolizem, strukturna biologija, molekularno modeliranje
Raziskovalci (32)
Organizacije (3)
Povzetek
V vedah o življenju prihaja do prehoda od molekularnega na sistemski nivo, kar obeta razvoj nove kvalitete v razumevanju kompleksnih bioloških sistemov kot sta imunski in metabolni sistem. Izhodišče programa je povezovanje osnovnih raziskav na mednarodno primerljivem znanstvenem nivoju z razvojem njihovih aplikacij oz. na vsebinah raziskav, ki obetajo potencialno uporabnost, predvsem na področju skrbi za zdravje. Poudarek programa je na razumevanju odgovora človeškega organizma na bakterijske infekcije in mehanizma konformacijskih bolezni na molekularnem nivoju in na razumevanju delovanja metabolizma mikroorganizmov usmerjenega v povečanje produkcije različnih farmacevtsko pomembnih produktov. V raziskavah receptorjev za LPS bomo raziskovali izven-celične (MD-2, TLR4 in CD14) kot tudi na znotraj-celične receptorje. Razumevanje interakcij na molekulskem nivoju lahko vodi k novim spojinam, s katerimi bomo lahko nevtralizirali prekomeren imunski odziv. Cilj teh raziskav je pojasnitev biokemijske specifičnosti t.i. PAMP receptorjev, to je receptorjev, ki prepoznavajo molekularne vzorce patogenih mikroorganizmov. Na osnovi povezave med strukturo in biološko aktivnostjo (SAR) bomo razvili nove (lipo)peptide in ugotovili razlike v vezavi na bakterijske membrane in njihovi selektivnosti. Na področju skrbi za zdravje raziskujemo tudi bolezni povezane s konformacijskimi spremembami proteinov, predvsem TSE (prenosljive spongiformne encefalopatije). Monoklonska protitelesa so se uveljavila kot nepogrešljivo diagnostično orodje in kot potencialna zdravila. S kombiniranjem imunokemije z metodami proteinske in strukturne biokemije smo naredili prvi korak pri analizi specifičnosti protiteles, ki prepoznajo patogeno obliko prionskega proteina (PrPSc), povezano z Creutzfeldt-Jakobovo boleznijo. Ta in druga orodja nam bodo omogočila izboljšati detekcijo in zgodnjo diagnostiko bolezni in po drugi strani prispevati k pojasnitvi mehanizma infektivnosti TSE. Program vključuje tudi raziskave metabolizma industrijskih mikroorganizmov. Z raziskavami primarnega metabolizma ter vplivom sprememb v okolju na regulacijo metabolizma se bomo osredotočili na 6-fosfofrukto-1-kinaza (pfkA), pri kateri smo ugotovili, da se njene encimske lastnosti močno spremenijo med procesom post-translacijske modifikacije. Okrajšan gen za sintezo bolj aktivnega encima nameravamo prenesti v drug komercialno pomemben mikroorganizme. Za opazovanje celičnih sprememb in vivo predvsem pri evkariontih je potreben tudi razvoj novih znotrajceličnih senzorjev na osnovi fluorescenčnih proteinov, s katerimi bomo lahko spremljali strukturo in dinamiko celičnih funkcij. Študij signalizacije v mikroorganizmih bomo usmerili na analizo Ca++, cAMP in pH znotraj živih celic.
Pomen za razvoj znanosti
Poudarek raziskav je bil na molekularnih mehanizmih fizioloških procesov, ki so pomembni za zdravje in uporabi temeljnih spoznanj za izboljšanje zdravja preko razvoja zdravilnih učinkovin in diagnostike. V raziskavah receptorjev naravne imunosti smo se v prejšnjem programskem obdobju osredotočili na prepoznavanje bakterijskega endotoksina (lipopolisaharida, LPS) preko kompleksa Tollu-podobnega receptorja 4 (TLR4) in MD-2, ki neposredno prepozna in veže bakterijski LPS. Postavili smo strukturni model MD-2, ki je receptor za bakterijski endotoksin (LPS). V seriji publikacij v uglednih znanstvenih revijah smo identificirali naravne ter sintetične spojine, ki se vežejo na MD-2 in delujejo kot antagonisti LPS, kar je zelo pomembno za terapijo v zgodnjih fazah bakterijske infekcije in za preprečevanje sepse. Ugotovili smo, da se v hidrofobnem žepu MD-2 nahaja prosti cisteinski preostanek. To predstavlja možnost za načrtovanje ireverzibilnih inhibitorjev novega tipa. Identificirali smo funkcijo človeškega polimorfizma MD-2 (G56R), ki zmanjša odzivnost na LPS. Poznavanje delovanja mehanizmov naravne imunosti in celične signalizacije nam omogoča spreminjanje signalizacijskega omrežja s pristopom sintezne biologije, s ciljem omogočiti človeškim celicam zaščito pred okužbami. V prvem projektu smo omejili pretiran odziv celic na aktivacijo z endotoksinom, kar bi lahko preprečilo razvoj sepse. Drugi projekt je bil usmerjen v prepoznavanje infekcije z virusom HIV-I, kjer je zaznavanje virusa neobčutljivo na mutacije, ki so sicer vzrok široko razširjene odpornosti na zdravila in neučinkovitosti cepiv. V povezavi z raziskavami mehanizmov delovanja bakterijskega endotoksina smo analizirali delovanje antibakterijskih učinkovin, kot so inhibitorji giraz, in (lipo)peptide, ki poleg antimikrobnega delovanja nevtralizirajo endotoksin. Izboljšali smo delovanje antibakterijskih peptidov na širok spekter bakterij ter sposobnost nevtralizacije endotoksina. Določili smo strukturo več peptidov v kompleksu z LPS, kjer smo odkrili nov strukturni motiv antimikrobnega peptida in pokazali velik pomen acilnega dela za strukturo lipopeptida, kar je omogočilo racionalno načrtovanje boljših učinkovin. Pod vplivom prionov se nativna celična oblika PrP pretvori v amiloidno obliko. Ugotovili smo, da se spojina naravnega izvora kurkumin veže na obe obliki z večjim deležem ß-strukture, tako na ß-oligomere kot tudi na amiloidne fibrile. Kurkumin prepozna tudi delno razvito obliko, ki je prisotna v kislem pH in ima podobno kot nativna oblika velik delež ?-strukture. V potrebe po učinkoviti diagnostiki v povezavi s transfuzijo krvi se vključujejo raziskave populacijske študije, v kateri smo določali prevalenco treh mutacij v genu povezano z dedno hemakromatozo HFE v slovenski populaciji z metodo, ki smo jo razvili na osnovi PCR v realnem času. Opisali smo tudi novo homozigotno delecijo v genu HFE. Poleg dela na sesalskih sistemih smo nadaljevali delo na raziskavah primarnega metabolizma gliv, kjer sprememba fosfofruktokinaze zagotavlja izboljšano produkcijo sekundarnih metabolitov, ki so pomembni za industrijo zdravil, na osnovi česar smo tudi prijavili več patentov. Pri glivi Aspergillus niger smo ugotovili, da nativni PFK1 encim po proteolitičnem odcepu dela proteinske molekule razpade na krajši fragment, ki obdrži encimsko aktivnost, vendar s spremenjenimi kinetičnimi lastnostmi. Nastali fragment ni občutljiv na inhibicijo s citratom, nekateri aktivatorji pa dvignejo njegovo aktivnost na višji nivo kot pri nativnem encimu. Rezultat posttranslacijske modifikacije PFK1 je tako ojačan metabolni pretok preko glikolize, ki je v normalnih celicah pod natančno kontrolo.
Pomen za razvoj Slovenije
Program je imel pomen za Slovenijo preko doseganja visokega mednarodnega nivoja znanosti in izobraževanja visoko usposobljenih kadrov. Raziskovalna tematika sega predvsem na področje skrbi za zdravje, kjer sodelujemo v svetovnem vrhu pri odkrivanju mehanizmov obrambe organizma pred patogeni. To znanje smo prenašali v konkretne rezultate, ki se bodo lahko uporabili za izboljšanje človekovega zdravja, ne samo v Sloveniji ampak globalno. Te rezultate bomo lahko tudi pretvorili v konkretne visokotehnološke produkte, ki jih nameravamo preko različnih načinov pripeljati do trga. V zadnjem programskem obdobju je naša programska skupina preko izjemnih uspehov na tekmovanjih raziskovalnih projektov v najbolj ugledni akademski konkurenci pomembno pripomogla k promociji naravoslovja in znanosti v širši javnosti in promociji Slovenije kot države z dobro znanostjo in izobraževanjem. Omenjeni uspehi so odmevali v Sloveniji pa tudi širom sveta z več sto objav v časopisih, revijah, vsi slovenski dnevniki, radio, TV, spletne strani (npr. EU komisija, več kot 18,000 zadetkov z vseh celin na spletni strani našega projekta). Razvoj inventivnih metod za testiranje prionskih bolezni oz. infektivnih prionov predstavlja z ekonomskega stališča odlično izhodišče za poslovne pobude. Potencialno uporabne rezultate bomo zaščitili s patenti, kar lahko omogoči bodisi prodajo licence bodisi ustanovitev podjetja, ki bi te rezultate poslovno izkoristilo. Predvsem lahko pričakujemo hitro možnost komercializacije novih metod za diagnostiko. Kot izkoriščanje rezultatov preteklega programskega obdobja nameravamo nadaljevati s komercializacijo patentnih pravic za uporabo modificiranega pfkA gena, ki po vgraditvi v komercialne mikroorganizme pospeši metabolni pretok preko glikolize in povzroči povečano produkcijo specifičnih končnih produktov.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
