Projekti / Programi
Eksperimentalna biofizika kompleksnih sistemov
01. januar 2009
- 31. december 2014
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B260 |
Biomedicinske vede |
Hidrobiologija, morska biologija, ekologija voda, limnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
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 (26)
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
Raziskave skupine so pokrivale več velikostnih skal in se dotikale različnih problemov biofizike. Tako smo na molekularnem nivoju razvili novo metodo na osnovi SDSL EPR in simulacij lokalnih konformacijskih prostorov. Metoda predstavlja alternativo obstoječim metodam visoko-ločljive strukturne karakterizacije proteinov in njihovih kompleksov. Obstoječe metode namreč pri fizioloških pogojih in pri hitrih dinamičnih pojavih dajo slabe rezultate. Z razvojem kombinirane SL EPR - FMS smo uvedli popolnoma nov pristop k študiju strukturnih lastnosti in vloge membranskih domen. Z njim smo razjasnili pomemben problem membranske biofizike, to je problem lateralne strukturiranosti oziroma pojava membranskih domen in njihove vloge pri medceličnih interakcijah ter interakcijah z biokativnimi snovmi. Zadnje desetletje raziskav namreč spreminja splošno uveljavljeno prepričanje, da aktivne membranske procese določajo v glavnem lastnosti membranskih proteinov. Kljub vsemu pa je lateralna heterogenost membran ostajala nerešen problem zaradi nasprotujočih si rezultatov spektroskopskih in mikroskopskih tehnik, ki v večini primerov izvirajo iz problematičnih eksperimentalnih zahtev po občutljivosti v nanometrski in nanosekundni skali. Na večji prostorski skali smo z razvojem posebnih metod MRI, kot so posebne hitre metode MR slikanja, metode difuzijskega slikanja ter metode MR slikanja v šibkem polju, dosegli 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 lahko razložili mehanizme nastajanja in razpadanja netkivnih skupkov celic, na primer raztapljanja krvnih strdkov. Nove MRI metode imajo poseben pomen tudi za spremljanje doziranja in ciljanjega transporta zdravilnih učinkovin v žive organizme. Razvoj metod MR slikanja v šibkem magnetnem polju pa odpira 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 je dosegla skupina so velikega pomena tudi pri razumevanju mehanizmov različnih patoloških pojavih njihovem zdravljenju. Z raziskavami na področju protimikrobnih lastnosti nanomaterialov smo prišli do pomembnih spoznanj o interakcijah med celicami in nanomateriali. Ta spoznanja so pomembna za poznavanje varnosti novih nanotehnologij in rabe nanodelcev. Izpostavimo lahko tudi izjemno interdisciplinarno naravnanost naših raziskav. Te so povezovale različna področja naravoslovja, biotehnologije in medicine. Hkrati pa smo s fizikalnim pristopom raziskovanja omogočili odkrivanje mehanizmov strukturiranosti, samoorganizacije in dinamike kompleksnih bioloških sistemov.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskave membran, tkiv in organizmov so nas vodile do spoznavanja mehanizmov interakcij v bioloških sistemih in razumevanja patofizioloških stanj, kot so na primer rak in žilna obolenja. Z novimi spoznanji v strukturni biofiziki proteinskih kompleksov smo podkrepili razvoj protivurisnih zdravil, z raziskavami v membranski biofiziki in z razvojem oksimetrije pa izboljšali razumevanje in zdravljenje rakastih obolenj ter razvili načine učinkovitega spremljanja dostavnih sistemov za farmacevtske učinkovine, kar je pomembno za farmacevtsko industrijo. Poznavanja interakcij v membranah so nam omogočila razvoj biosenzorjev za nadzor vsebnosti pesticidov v živilih in v okoljskih vzorcih. Razumevanje interakcij med celicami in nanodelci pa nas je vodilo do razvoja industrijsko varnih samočistilnih površin. Na tem področju smo tudi sodelovali z domačo industrijo (Gorenje, Vinprom). Z razvojem novih metod slikanja z magnetno resonanco smo prispevali k razvoju medicinske diagnostike in vivo ter izobraževanju osebja, ki izvaja klinično diagnostiko. S tem smo tudi prispevali h kakovostnejšim zdravstvenim storitvam. Nove metode MRI smo uporabili tudi za spremljanje zdravljenja krvnih strdkov in pljučne embolije ter za sledenje poti zdravilnih učinkovin pri različnih zdravljenjih. Naše znanja na tem področju smo ponudili tovarni zdravil Krka s katero učinkovito sodelujemo od leta 2010 na področju razvoja novih zdravil. Z MRI smo spremljali tudi toplotno obdelavo hrane in njeno spreminjanje pri procesih konzerviranja. Delo skupine je bilo pomembno tudi na področju izobraževanja. Tako je iz raziskovalnih problemov skupine končalo izobraževanje več novih doktorjev in magistrov znanosti. Nekateri od teh so zasedli pomembna mesta v razvojnih oddelkih industrije. Poseben poudarek smo namenili tudi izboljševanju izobraževanja ter popularizaciji znanosti. Z novimi pristopi v pedagoškem procesu smo spodbujali inovativnost na srednješolskem in univerzitetnem nivoju.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
