Nalaganje ...
Projekti / Programi vir: ARIS

Načrtovana celična logična vezja

Raziskovalna dejavnost

Koda Veda Področje Podpodročje
1.05.00  Naravoslovje  Biokemija in molekularna biologija   

Koda Veda Področje
B001  Biomedicinske vede  Splošne biomedicinske vede 

Koda Veda Področje
1.06  Naravoslovne vede  Biologija 
Ključne besede
celična logika, sintezna biologija, sesalske celice, gensko stikalo, oscilator, svetlobni senzor, TALE represorji, CRISPR/Cas
Vrednotenje (pravilnik)
vir: COBISS
Raziskovalci (12)
št. Evidenčna št. Ime in priimek Razisk. področje Vloga Obdobje Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  14360  dr. Mojca Benčina  Biotehnologija  Raziskovalec  2014 - 2017  393 
2.  32254  dr. Rok Gaber  Biotehnologija  Raziskovalec  2014 - 2015  52 
3.  06628  dr. Roman Jerala  Biokemija in molekularna biologija  Vodja  2014 - 2017  1.203 
4.  34252  Tina Lebar  Biokemija in molekularna biologija  Tehnični sodelavec  2014 - 2017  68 
5.  32984  dr. Jan Lonzarić  Biokemija in molekularna biologija  Raziskovalec  2014 - 2017  46 
6.  17917  dr. Andreja Majerle  Biotehnologija  Raziskovalec  2014 - 2017  92 
7.  29198  dr. Miha Moškon  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2014 - 2017  264 
8.  13442  dr. Miha Mraz  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2014 - 2017  373 
9.  37589  dr. Tina Tinkara Peternelj  Mikrobiologija in imunologija  Raziskovalec  2016  40 
10.  38021  Bojana Stevović    Tehnični sodelavec  2016 - 2017  12 
11.  39364  Anže Verbič  Biokemija in molekularna biologija  Tehnični sodelavec  2016 - 2017  10 
12.  05957  dr. Nikolaj Zimic  Računalništvo in informatika  Raziskovalec  2014 - 2017  328 
Organizacije (3)
št. Evidenčna št. Razisk. organizacija Kraj Matična številka Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  0104  Kemijski inštitut  Ljubljana  5051592000  21.271 
2.  1539  Univerza v Ljubljani, Fakulteta za računalništvo in informatiko  Ljubljana  1627023  16.704 
3.  2992  EN-FIST CENTER ODLIČNOSTI  Ljubljana  3664830  2.911 
Povzetek
Celice so sposobne sprejemati kombinacije signalov iz okolja ali kombinacije signalov, ki izvirajo iz endogenih bioloških procesov, ter jih spremeniti v ustrezni celični odziv, kar organizmom omogoča delovanje in prilagajanje spremembam v okolju. Razumevanje teh procesov predstavlja enega osrednjih izzivov molekularne biologije, takšno znanje pa bi nam omogoča tudi preoblikovanje odzivov celic na primer za reprogramiranje celic, celično terapijo, biosenzorje in mnoge druge. Načrtovana genska omrežja, lahko izvajajo diskretne Boolove logične operacije tako v prokariontskih kot v evkariontskih celicah[1]–[10]. Logične funkcije, kot npr. AND ali OR, so bile implementirane z uporabo različnih kombinacij naravnih transkripcijskih faktorjev, ki običajno izvirajo iz bakterij[6]. Večina načrtovanih genskih naprav temelji na peščici okarakteriziranih transkripcijskih faktorjev, kot npr. LacI ali TetR, ki pa se razlikujejo v oligomerizacijskem stanju ali afiniteti do DNA. Takšna heterogenost onemogoča standardizacijo ter izgradnjo kompleksnejših genskih omrežij. Odkritje »kode« prepoznavanja DNA efektorjev TAL (TALE; ang. Transcription Activator-Like Effectors) [11], [12], in tehnologije CRISPR/Cas [13], je povzročilo revolucijo na področju molekularne biologije. Obe omenjeni tehnologiji se uporabljata za spreminjanje genomov, predstavljata pa tudi odlično osnovo za načrtovanje kompleksnih genskih regulatornih omrežij. S pripravo transkripcijskih faktorjev na osnovi takšnih DNA vezavnih domen lahko zagotovimo visoko stopnjo nadzora nad celičnim odzivom in vpeljemo nove kompleksne operacije v biološke sisteme. Pred kratkim smo uspešno sestavili optimizirana genska NOR vrata in z njihovim povezovanjem popoln nabor vseh 16 dvovhodnih logičnih funkcij v sesalskih celicah (Gaber e tal., Nat Chem Biol 2014) [14]. Pri tem smo kot osnovne gradbene elemente uporabili transkripcijske represorje na osnovi efektorjev TAL. Platforma sistema CRISPR/Cas omogoča še bolj enostaven izbor tarčnih DNA zaporedij, na osnovi majhnih RNA molekul. Glavna prednost umetnih, načrtovanih DNA vezavnih domen v primerjavi z naravnimi transkripcijskimi faktorji, ki so jih uporabili do danes, je možnost njihovega načrtovanja v skoraj neomejenem številu, kar omogoča njihovo uporabo v številnih kombinacijah, potrebnih za izgradnjo kompleksnih genskih regulatornih naprav. V tem projektu predlagamo implementacijo modularnih DNA vezavnih proteinskih domen za izgradnjo kompleksnih genskih regulatornih omrežij v sesalskih celicah, ki bodo vključevale tako statične logične operacije kot tudi dinamične sisteme, t.j. bistabilna stikala in oscilatorje. Prenosljiva celična logična omrežja bodo omogočila reprogramiranje celic za zanesljivo izvedbo kompleksnih celičnih odzivov na kombinacije vhodnih signalov. To bomo dosegli v okviru treh sklopov, kjer bomo: a) pripravili, okarakterizirali in optimizirali gradbene elemente za načrtovano diskretno celično logiko, b) genska bistabilna stikala in c) oscilatorje, ki bodo modularni, nadgradljivi in pod nadzorom kemijskih ali fizikalnih signalov, kot so male spojine ali svetloba. Načrtujemo uporabo načrtovanih DNA vezavnih domen na osnovi efektorjev TAL in sistema CRISPR/Cas, katerim bomo dodali aktivacijske (npr. VP16) ali represijske domene (npr. KRAB). Tako bomo sestavili ortogonalne transkripcijske faktorje, s katerimi sestavimo izbrano logično topologijo. Logična vezja omogočajo želen celični odziv na osnovi različnih kombinacij izbranih vhodnih signalov. Stikala so ključni elementi nadzora, saj omogočajo izbor želenega stanja na osnovi pulza vhodnega signala ter ohranitev tega stanja na osnovi epigenetskega spomina. Oscilatorji, ki predstavljajo še eno vrsto osnovnih naprav v kompleksnih logičnih sistemih in so prav tako prisotni tudi v vseh kompleksnih organizmih, omogočajo periodične odzive in sinhronizacijo procesov. Univerzalna logična vrata so ključna pri izgradnji elektronskih računalniških naprav in so funkcionalno popolna.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati projekta predstavljajo pomemben napredek v razvoju sintezne biologije, ker omogočajo uporabo dizajniranih transkripcijskih regulatorjev za uravnavanje celičnih procesov. Za razliko od večinoma uporabljenih naravnih regulatorjev z drugih organizmov, ki so omejeni lahko z našim principom dizajniramo sto-tisoče umetnih regulatorjev, s katerimi lahko vplivamo na katerikoli gen. Posebej omembe vredni so izvirni dosežki glede izpodrivanja TALE proteinov ter o zaklenjenih TALih, ter uporabo obeh iznajdb, ki smo jih predstavili prvi v svetu.
Pomen za razvoj Slovenije
V okviru projekta smo uvedli novo tehnologijo dizajna transkripcijskih regulatorjev ter pripravo celičnih vezij na njihovi osnovi, ki je še ni bilo v Sloveniji. Ta dognanja bodo uporabna v naši skupini za inženiring človeških celičnih linij ter za pripravo celične terapije. enako tehnologijo se lahko uporabi tudi za uravnavanje delovanja rastlinskih celic ali kvasovk, kar bi bilo uporabno tudi za druge raziskovalce. Raziskava je pomembna za uveljavitev slovenske znanosti v svetu in jo je vodja raziskave predstavil na več vabljenih predavanjih v tujini do poljudnih predavanj v Sloveniji. Med raziskavo se je usposobilo več raziskovalcev in tako je dr. Tina Lebar dobila nagrade za Ženske v znanosti, Preglovo priznanje KI ter Zlati znak IJS.
Najpomembnejši znanstveni rezultati Letno poročilo 2014, 2015, zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati Letno poročilo 2014, 2015, zaključno poročilo
Zgodovina ogledov
Priljubljeno