Projekti / Programi
Biokemijska in biofizikalno-kemijska karakterizacija naravnih snovi
01. januar 2009
- 31. december 2013
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.03.00 |
Biotehnika |
Rastlinska produkcija in predelava |
|
| 1.05.00 |
Naravoslovje |
Biokemija in molekularna biologija |
|
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T430 |
Tehnološke vede |
Tehnologija hrane in pijač |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 4.01 |
Kmetijske vede in veterina |
Kmetijstvo, gozdarstvo in ribištvo |
naravne snovi, fenolne spojine, transportne in volumenske lastnosti, koligativne lastnosti, arheje, halocini, encimi, aditivi, antimikrobna sredstva, antioksidanti
Raziskovalci (24)
Organizacije (2)
Povzetek
Del raziskav bo usmerjen v fenolne spojine. Ta skupina sekundarnih metabolitov je zelo številčna in raznolika ter kot kaže značilna za posamezne vrste rastlin. Vsebnost fenolnih spojin v rastlinah se lahko poveča kot odgovor rastline na spremembe v okolici. Povečano biosintezo fenolnih spojin lahko spremljamo s povečanjem aktivnosti določenih encimov, ki so vključeni v njihov nastanek in/ali njihovo razgradnjo. V povezavi s fenolnimi spojinami sta pomembni dve vrsti encimov in sicer polifenol oksidaze in peroksidaze. V intaktni rastlinski celici so fenolne spojine prostorsko ločene od encimov in šele po poškodbi pridejo z njimi v kontakt. Tedaj potečejo določene reakcije. Obe vrsti encimov katalizirata oksidacijo fenolnih spojin v zelo reaktivne kinone in nadaljno polimerizacijo v rjavo obarvane produkte. Povečano biosintezo fenolnih spojin v rastlinah lahko tudi sprožimo z različnimi elicitorji in kot kaže lahko na ta način postanejo rastline bolj odporne proti različnim mikroorganizmom, saj so za nekatere fenolne spojine dokazali antimikrobni učinek. Za izolacijo in identifikacijo fenolnih spojin in raziskav o njihovi biološki vlogi bomo uporabili različne vrste rastlin. Nekatere od njih bi lahko postale tudi tržno zanimive kot rezidualni viri naravnih antimikrobnih snovi in antioksidantov. Pri drugih vrstah rastlin predvidevamo, da bi fenolne spojine in/ali njihovi oksidoredukcijski encimi služili kot biokemijski markerji kvalitete. To bi nam hkrati dalo tudi osnovo za razvoj biosenzorjev, v katere se v zadnjem času usmerja vse več raziskav in so zelo selektivni in hitri. Do sedaj razviti biosenzorji temeljijo na imobilizaciji polifenol oksidaze, ki katalizira oksidacijo polifenolov. Naš namen je razviti optični biosenzor, ki bi kot detektor uporabljal spektrofotometer v začetni fazi raziskav, v drugi fazi pa tudi spektrometrijo s termičnimi lečami, kar bi povečalo občutljivost biosenzorja. Opisani biosenzor bi uporabili za detekcijo fenolnih spojin v različnih vzorcih, metodo pa bi primerjali tudi z metodami, ki se v našem laboratoriju že rutinsko uporabljajo.
Fenolne spojine se lahko uporabljajo tudi kot aditivi v živilski industriji. Uporaba aditivov predstavlja za proizvajalce hrane številne tehnološke in ekonomske prednosti, npr. razvoj novih izdelkov, izboljšanje kakovosti obstoječih izdelkov, sprememba roka trajanja, sprememba strukture, teksture, pa tudi okusa in videza. Poznavanje fizikalno kemijskih karakteristik teh tehnološko, pa tudi biološko pomembnih spojin, je važen parameter pri načrtovanju industrijskih procesov, povezanih s kvaliteto, kontrolo in skladiščenjem. Med številnimi aditivi, ki se razlikujejo glede na namembnost, se bomo opredelili na aditive za stabilizacijo (antioksidante, sinergiste in kompleksante, emulgatorje in zgoščevalce) in aditive za izboljšanje okusa, zlasti intenzivna nekalorična sladila. Dobljene termodinamske parametre bomo pri aditivih korelirali z osnovnimi okusi (sladkost, grenkost). Rezulati bodo uporabni tudi pri testiranju sistemov za elektronsko razpoznavanje osnovnih okusov (elektronski jezik).
Drug del raziskav bo usmerjen v arheje in sicer v termofilne in halofilne predstavnike teh organizmov. Arheje so zanimive zato, ker so se prilagodile življenju v ekstremnih razmerah kot sta visoka temperatura in slan medij. Zato imajo drugačno zgradbo membran, celične stene, specifični rRNA motiv in še drugo. Prilagojenost ektremnim temperaturam bomo študirali na Aeropyrum pernix (striktno aerobna hipertermofilna arheja). Z uporabo diferencialne dinamične kalorimetrije nameravamo okarakterizirati organizem kot celoto in nekatere celične komponente. Iz te arheje nameravamo izolirati encime, ki so zanimivi zato, ker so toplotno izjemno stabilni in bi bili uporabni za biotehnološke procese. Predvidevamo, da bi s proteinazami, ki jih A. pernix izloča v okolico uspeli razgraditi agregate prionskega tipa.
Pomen za razvoj znanosti
Iz raznih sekundarnih virov pridobljeni ekstrakti z antioksidativnim ali antimikrobnim delovanjem predstavljajo vir biološko aktivnih komponent, kar je ekonomično tudi za proizvajalce in predelovalce. Ekstrakte iz sekundarnih virov in tudi iz vina pridobljene nehlapne preostanke z veliko vsebnostjo antioksidantov lahko uporabimo za pripravo različnih živil ali kot prehranski dodatek. Ugotovili smo, da bi nekateri ekstrakti in fenolne spojine lahko nadomestili umetne aditive v hrani, saj imajo tako antioksidacijsko kot protimikrobno delovanje. Rezultati naših raziskav tudi kažejo, da imajo nekatere fenolne spojine zaščitno vlogo pri induciranem oksidativnem stresu primarnih celičnih kultur nevronov, kar bi lahko pripeljalo do preprečevanja zgodnjega pojava nekaterih nevrodegenerativnih bolezni s pomočjo ustrezne prehrane ali prehranskih dodatkov. Z raziskavami na področju metodologije antioksidativnih testov smo dobili vpogled v mehanizem reakcij antioksidantov s prostimi radikali. Ugotovitve so pomembne tako na področju analitike antioksidatov, kakor tudi pri razlagi poteka reakcij v realnih bioloških sistemih. Z optimizacijo luminescentne metode za določanje antioksidativne učinkovitosti pa smo prispevali k uveljavljanju novih alternativnih pristopov pri določanju antioksidantov v različnih vzorcih. Interpretacija podatkovnih baz o kvalitativni in kvantitativni sestavi rastlinskih sekundarnih metabolitov nam lahko s smiselnimi prikazi in obdelavami le-teh pomaga določiti povezave med fizikalnimi lastnostmi in/ali kemijsko sestavo ter njihovimi biotičnimi lastnostmi (senzorične lastnosti, fiziološka učinkovitost, antimikrobna aktivnost, antioksidativni potencial). Razvoj hitrih, lahko tudi le presejalnih analiznih metod za določanje pristnosti in kvalitete živil je pomemben interes predvsem potrošnikov pa tudi živilske industrije. V to skupino analiznih metod sodi tudi določanje električnih lastnosti živil. Rastlinska olja so slabo polarni izolatorji z nizko dielektrično konstanto in prevodnostjo. Z dielektrična konstanto, ki se zaenkrat uporablja za določanje kvara olj pri cvrtju, lahko razlikujemo tudi med rastlinskimi olji z višjo vsebnostjo oleinske kisline od tistih, ki vsebujejo dvakrat in večkrat nenasičene maščobne kisline. Na osnovi začetnih poskusov tudi predvidevamo, da lahko za ugotavljanje pristnosti nerafiniranjih olj višjega cenovnega razreda in njihovih potvorb z rafiniranimi uporabljamo tudi električno prevodnost, saj smo ugotovili za več velikostnih razredov različno električno prevodnost med rafiniranimi in nekaterimi nerafiniranimi olji. Stabilizacija askorbinske kisline je velik izziv v živilsko predelovalni industriji in vključenost v liposome, ki smo jo opravili v okviru raziskovalnega dela, ji poveča stabilnost predvsem v živilih. Lipidi arhej so edinstveni in omogočajo pripravo arheosomov, ki so kemijsko in fizikalno izjemno stabilni in zdravju neškodljivi. Poleg tega njihova stabilnost in ustrezna porazdelitev v tkivih ter imunomodulatorno delovanje odpirajo nove možnosti uporabe arheosomov v medicini (prenašalci za vnos zdravil, proteinov, peptidov, genov in sredstev za odkrivanje karcinomnih obolenj), izkoristilo pa bi se jih lahko tudi v diagnostiki. V živilski industriji nimajo GRAS statusa, bi pa lahko zagotovili večjo kemijsko obstojnost aditivov, podaljšali čas sproščanja okusov, dišav in encimov ter zaščitili nestabilne vitamine, konzervanse in barvila pred oksidacijo. Razumevanje mehanizma toplotne stabilizacije encimov je trenutno eden od najbolj zanimivih problemov v biokemiji in biotehnologiji in lahko služi kot model za pripravo proteinov z novimi lastnostmi, zanimivimi za industrijo. S pomočjo termostabilnih proteaz smo uspešno razgradili proteinske agregate (plake). Termostabilne encime množično uporabljamo tudi v molekularni biologiji, primera sta termostabilna DNA polimeraza in restrikcijski encimi.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultati raziskav v okviru programa so zanimivi z vidika izboljšanja kakovosti živil za ohranjanje in izboljšanje prehranske vrednosti in obstojnosti določenih izdelkov (sokovi, olja in medovi). Razvoj enostavnih in hitrih nedestruktivnih metod za analizo živil je pomemben z vidika zagotavljanja analiz čim večjega števila vzorcev, istočasno pa prispeva k znižanju stroškov, kar je za živilsko industrijo v trenutnih razmerah velikega pomena. Zanimive rastlinske vrste in sorte hmelja (Savinjski golding, Aurora) prispevajo k promociji slovenskih pridelkov in proizvodov tudi z vidika bio-pridelave prehranskih surovin, za kar ima Slovenija še vedno ugodno izhodiščno pozicijo. S poznavanjem spojin, ki odvračajo hmeljevo listno uš bi bistveno zmanjšali uporabo insekticidov in tako posledično zmanjšali obremenjevanje okolja in izpostavljenost človeka insekticidom. Vse to bi tudi povečalo ekonomičnost pridelave hmelja. Rastline, ki imajo antioksidativni in antimikrobni učinek, bi bile potencialno zanimive za pridelovanje na kmetijah z omejenimi razmerami. Predvsem zanimivi so hmeljevi poganjki in vršički, ki jih ni potrebno posebej sejati, saj predstavljajo odpadek, ki bi lahko pomenil dodaten dohodek. Ugotovili smo, da tudi drugi sekundarni viri, kot so olje pogače ali tržni presežki vina predstavljajo vir biološko aktivnih komponent , ki jih je mogoče uporabiti za obogatitev živil ali v obliki prehranskih dodatkov. Slovenija je znana tudi po proizvodnji visokokakovostnih oljčnih in bučnih olj. Razvoj metodologij za hitro oceno pristnosti nerafiniranih bučnih olj z merjenjem prevodnosti in vrednotenja vsebnosti antioksidantov v nerafiniranih rastlinskih oljih prispeva k ohranjanju kakovosti izdelkov z veliko dodano vrednostjo. V okviru programa smo opravili tudi prvo sistematični raziskavo fenolnih spojin v oljnici navadni riček (Camelina sativa), ki v Sloveniji uspeva na Koroškem, in pokazali, da je ta rastlina, ki jo je možno brez težav gojiti na ekološki način, dober vir fenolnih spojin z antioksidativnim učinkom. Proteaze iz A. pernix (rekombinantne – pripravljene v zadostnih količinah) je mogoče uporabiti pri različnih postopkih v zdravstvu in pri postopkih obdelave živil v prehrambeni industriji, kar je zanimivo za slovenske farmacevtske družbe in živilsko-predelovalno industrijo (odstranjevanje termično obstojnih toksinov in potencialnih alergenov). Izsledki opisanega raziskovalnega dela so že vključeni v program univerzitetnega in podiplomskega izobraževanja na Biotehniški fakulteti. V raziskave so bili vključeni študentje tudi v okviru izdelave nalog za Prešernove nagrade, diplomskih in magistrskih nalog ter kot podiplomsko raziskovalno delo ter študenti in raziskovalci v okviru mednarodnih izmenjav (Erasmus, bilateralni projekti). Člani programske skupine so sodelovali kot člani organizacijskih in programskih odborov znanstvenih in strokovnih srečanj. Aktivno smo sodelovali kot uredniki znanstvenih revij in recenzenti člankov v uglednih mednarodnih revijah. Člani programske skupine so sodelovali z raziskovalci na drugih raziskovalnih institucijah v Sloveniji (Kemijski inštitut, IJS, Kmetijski inštitut, Medicinska in kemijska fakulteta) ter nudili podporo domači industriji (Kras-mesnopredelovalna industrija, Kmetijsko gozdarski zavod, BSH Hišni aparati, d.o.o, Valens d.o.o) in sodelovali v večih industrijskih projektih.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
