Projekti / Programi
Nove aplikacije načrtovanih polipeptidnih struktur
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.06.00 |
Biotehnika |
Biotehnologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T490 |
Tehnološke vede |
Biotehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.09 |
Tehniške in tehnološke vede |
Industrijska biotehnologija |
umetno polipeptidno ogrodje, samosestavljanje, ovita vijačnica, beta-ploskev, metabolni inženiring, encimska kataliza
Raziskovalci (11)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacij |
| 1. |
14360 |
dr. Mojca Benčina |
Biotehnologija |
Raziskovalec |
2014 - 2017 |
375 |
| 2. |
37380 |
dr. Karen Butina Ogorelec |
Mikrobiologija in imunologija |
Tehnični sodelavec |
2015 |
19 |
| 3. |
33301 |
Tibor Doles |
Biokemija in molekularna biologija |
Tehnični sodelavec |
2014 |
41 |
| 4. |
32254 |
dr. Rok Gaber |
Biotehnologija |
Raziskovalec |
2014 - 2015 |
49 |
| 5. |
17915 |
dr. Helena Gradišar |
Biotehnologija |
Vodja |
2014 - 2017 |
125 |
| 6. |
06628 |
dr. Roman Jerala |
Biokemija in molekularna biologija |
Raziskovalec |
2014 - 2017 |
1.129 |
| 7. |
34252 |
dr. Tina Lebar |
Biokemija in molekularna biologija |
Tehnični sodelavec |
2014 - 2017 |
66 |
| 8. |
17917 |
dr. Andreja Majerle |
Biotehnologija |
Raziskovalec |
2014 - 2017 |
92 |
| 9. |
23939 |
dr. Martina Mohorčič |
Biotehnologija |
Raziskovalec |
2014 - 2017 |
30 |
| 10. |
38275 |
Anja Perčič |
|
Tehnični sodelavec |
2016 |
0 |
| 11. |
39364 |
Anže Verbič |
Biokemija in molekularna biologija |
Tehnični sodelavec |
2017 |
9 |
Organizacije (2)
Povzetek
Molekularno samosestavljanje je glavni princip organizacije bioloških sistemov. Na podlagi naravnih principov samoorganizacije bioloških makromolekul lahko razvijemo različne strategije, s katerimi pripravljamo umetne nanostrukture. Končna 3D oblika biološke nanostrukture je določena z interakcijami med domenami osnovnih gradnikov. Sintetična polipeptidna ogrodja lahko sestavimo iz modularnih polipeptidnih gradnikov z domenami iz ovitih vijačnic ali ß-ploskev. Specifičnost interakcij omenjenih domen je dobro poznana. Znanje o načrtovanju, produkciji in funkcionalizaciji novih sintetičnih nano ogrodij predstavlja priložnost za razvoj številnih novih biotehnoloških aplikacij.
Biosinteza metabolnih produktov običajno zahteva več encimsko kataliziranih rakcij. Pri tem morajo encimi delovati v točno določenem zaporedju. Metabolni inženiring s sinteznobiloškimi pristopi predstavlja atraktivno alternativo klasični kemijski sintezi in ostalim uveljavljenim industrijskim procesom. Zaradi večje učinkovitosti biosintetskih poti so se tudi v naravi tekom evolucije nekateri encimi, ki katalizirajo zaporedne reakcije, spontano organizirali v multiencimske komplekse. Tak primer sta sinteza maščobnih kislin in fiksacija ogljika. Naša in nekatere druge raziskovalne skupine (Conrado s sod., Nucl.Acids.Res.2012; Dueber s sod., Nat.Biotech.2009) so uspešno izrabile interakcije nukleinske kisline/proteini ter protein/protein za združevanje encimov v multiencimske komplekse, kar je vodilo k izboljšanju učinkovitosti biosintetskih poti.
Inovativna ideja projekta je načrtovanje in produkcija definiranih proteinskih nano-agregatov, ki bi omogočili združevanje in visoko lokalno koncentracijo biosintetskih encimov, kar bi vodilo v višjo učinkovitost biosinteze. Predlog projekta temelji na naši ekspertizi s področja načrtovanja polipeptidnih nanostruktur in na potrebi biotehnološke industrije po povečevanju donosnosti proizvodnih procesov. Pričakujemo, da bo izvedeno delo močno prispevalu k izkoriščanju potencialov, ki jih ima tehnologija za proizvodnjo sintetičnih polipeptidnih ogrodij na področju sinteze različnih metabolnih produktov v genetsko spremenjenih mikrobnih celicah. Uporaba modularnih peptidnih osnovnih gradnikov, ki se bodo samoorganizirali v vnaprej načrtovane nanostrukture, nam bo omogočila prostorsko organizacijo encimov izbranih biosinteznih poti.
Namen projekta je raziskati in izkoristiti potencial, ki ga imajo polipeptidni nanomateriali na področju metabolnega inženiringa in izboljševanja učinkovitosti biosinteze. Osnovne gradnike za polipeptidna ogrodja bomo proizvedli v bakteriji E. coli, ki omogoča stroškovno učinkovito proizvodnjo na industrijskem nivoju. Preizkusili bomo dva različna tipa osnovnih gradnikov za izgradnjo polipeptidnih ogrodij. Prvi tip bodo gradniki na osnovi interakcijskih domen iz ovitih vijačnic, drugi pa na osnovi interakcijskih domen iz ß-ploskev. Uporabili bomo ortogonalne pare interakcijskih domen iz ovitih vijačnic, ki smo jih že načtrovali, karakterizirali in uspešno uporabili za pripravo nanotetraedra (Gradišar s sod., Nat.Chem.Biol.2013). Za izdelavo polipeptidnih ogrodij na osnovi interakcijskih domen iz ß-ploskev bomo preizkusili ß-amiloidne peptide različnih dolžin, orientacij in stabilnosti. Učinkovitost samosestavljanja gradnikov bomo spremljali z biokemijskimi in biofizikalnimi metodami, kot so meritve dinamičnega sipanja svetlobe, transmisijske elektronske mikroskopije in mikroskopije na osnovi atomske sile. Strategijo za izboljšanje učinkovitosti biosinteze bomo preizkusili in vitro in in vivo. Sintetična polipeptidna ogrodja bomo funkcionalizirali z encimi specifičnih biosinteznih poti. Učinkovitost pristopov bomo testirali na biosinteznih poteh resveratrola in mevalonata, ki sta bili izbrani v dogovru s sofinancerjem projekta. Opisan pristop predstavlja popolnoma nov način uporabe bionanomaterialov. Polipeptidna ogrodja funkcionalizirana z encimi pa predstavljajo izjemen biotehnološki potencia
Pomen za razvoj znanosti
Projekt se sklada s prednostnimi nalogami programa Horizon 2020, okvirnega programa Evropske unije, ki ima močan poudarek na razvijanju evropskih industrijskih zmogljivosti in na področju ključnih spodbujevalnih tehnologi (Key Enabling TehnologiesKET) in zajema področje nanotehnologije, naprednih materialov in biotehnologije. Pomen projekta je v evalvaciji potenciala inovativne tehnološke platforme za oblikovanje polipeptidnih nanostruktur, ki lahko služijo kot ogrodje za učinkovito in izboljšano biosintezno metabolita. Razvili smo inovativna tehnologija za funkcionalizacijo polipeptidnih nanostruktur s potencialno aplikativno uporabo na področju biokatalize, kemijskega inženirstva, medicie, farmacije, itd. Združevanje encimov iz izbrane biosintetske poti je eden izmed načinov za povečanje produkcije željenega biosinteznega produkta. Interakcijske domene, ki tvorijo obvite vijačnice ali beta-strukture, smo uporabili za to, da pripeljemo encime v bližino, kar vodi do večjih količin čistejšega produkta. Pokazali smo, da združevanje encimov preko nastanka obvite vijačnice ali beta-strukture poveča produkcijo izbranega produkta, resveratrola ali mevalonata, tako v bakterijah kot v glivah. Rezultati projekta so privedli do novih znanstvenih spoznanj in so zanimivi za biotehnološka podjetja ter za širšo znanstveno javnost. Rezultati projekta predstavljajo velik korak naprej pri razvoju novih tehnoloških platform za aplikativne namene. Poleg tega bodo raziskave omogočile spreminjanje in optimizacijo eksperimentalnih metod za aplikativno analizo bionanostruktur.
Pomen za razvoj Slovenije
V preteklem obdobju so člani projektne skupine preko izjemnih uspehov na tekmovanjih raziskovalnih projektov s področja sintezne biologije v najbolj eminentni svetovni akademski konkurenci pomembno pripomogli k promociji naravoslovja in znanosti v širši javnosti in k promociji Slovenije kot države z dobro znanostjo in izobraževanjem. Omenjeni uspehi so odmevali po vsem svetu z objavami v časopisih, revijah, dnevnikih, na radiu, TV in spletnih straneh. Pomen projekta za gospodarstvo in družbo je razvoj visoko specializiranega znanja, ki je na voljo za različne aplikacije na področju biokatalize, biotehnologije, kemije in medicine. To je tudi strateško zelo pomembno področje, saj je bionanotehnologija hitro razvijajoči se del znanosti z velikim potencialom za uporabo v industriji z visoko dodano vrednostjo. Nova odkritja in spoznanja, pridobljena tekom tega projekta, bi lahko pripeljala do nanostruktur z različnimi, vnaprej določenimi funkcijami, uporabnih na različnih področjih. Primeri takšne uporabe so poleg biokazalize še v farmaciji, kjer bi nanostrukture na osnovi proteinov omogočile nov način dostave zdravil s pomočjo biokompatibilnih molekul. Predlagana tehnologija bi lahko povečala konkurenčnost (slovenskih) biotehnoloških podjetij ter vzpostavitev novih spin-off podjetij, ki bi lahko vodile do novih delovnih mest za kader z biotehnološko izobrazbo. Poleg gospodarske uspešnosti lahko novi materiali, implementirani v ustreznih produktih, služijo za izboljšanje kakovosti življenja. Z objavami rezultatov v mednarodno uveljavljenih znanstvenih revijah in s konferenčnimi predstavitvami ter seminarji smo širili in seznanjali stroko z novimi inovativnimi tehnologijami in dosežki projekta, kar je pomembno za prepoznavnost raziskovalne skupine in znanosti v državi.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
