Projekti / Programi
Molekularna biotehnologija: od dinamike bioloških sistemov do aplikacij
01. januar 2015
- 31. december 2021
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.06.00 |
Biotehnika |
Biotehnologija |
|
| 1.05.00 |
Naravoslovje |
Biokemija in molekularna biologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P310 |
Naravoslovno-matematične vede |
Beljakovine, encimologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 3.04 |
Medicinske in zdravstvene vede |
Medicinska biotehnologija |
sintezna biologija, bionanomateriali, protein origami, načrtovana celična vezja, sesalske celice, naravna imunost, imunoterapija, biosinteza, monoklonska protitelesa
Raziskovalci (73)
Organizacije (2)
Povzetek
Programska skupina Molekularna biotehnologija se je v preteklem obdobju zelo uveljavila v svetu, in sicer predvsem na področjih sintezne biologije in imunologije. V predloženem programu za novo obdobje nameravamo ti dve področji še dodatno preplesti. Temeljni poudarki programa bodo:
· načrtovanje bionanostrukturah na osnovi bioloških makromolekul,
· načrtovanje regulacije delovanja celic, predvsem sesalskih,
· razumevanje mehanizmov naravnega imunskega odziva v boleznih,
· kombinacija sintezne biologije in imunologije za pripravo novih načinov terapevtske intervencije in drugih možnosti uporabe na osnovi principov sintezne biologije.
Proteini so biopolimeri, ki v celicah opravljajo večino funkcij. Nedavno smo objavili nov inovativen princip modularnega zvitja polipeptidov (Gradišar et al., Nat.Chem.Biol. 2013), ki predstavlja pomemben preboj pri dizajnu bionanostruktur. Na tej osnovi smo si za program zastavili cilje pripraviti dizajnirane modularne proteine, ki se bodo lahko zvili in vivo, vgraditi v nanostrukture proteinske domene, ki bi jih lahko uporabili za cepiva, pripraviti bolj kompleksne načrtovane proteinske poliedre, regulirati njihovo sestavljanje in razstavljanje, pripraviti mreže iz več polipeptidnih enot ter odkritja prenesti v konkretne aplikacije na področju medicine, senzorjev in biosinteze. Vzporedno s polipeptidnimi bomo razvijali tudi nanostrukture na osnovi DNA ter njune kombinacije.
Sposobnost spreminjanja celičnega odzivanja na signale iz okolja in znotrajcelične procese omogoča modifikacijo celic za terapevtske namene. V programu bomo nadgradil naša nedavna odkritja priprave celične logike (Gaber in sod., Nat.Chem.Biol., 2014) in dodatno razvili orodja CRISPR/Cas ter TALE za izvedbo logičnih operacij in modifikacijo genoma, ki je danes ozko grlo napredne uporabe sintezne biologije v sesalskih celicah.
Naraven imunski odziv je odločilno udeležen v kroničnih vnetnih boleznih in njegovo delovanje je izjemno pomembno za zdravje. V programu bomo raziskali mehanizme aktivacije membranskih in citosolnih receptorjev naravne imunosti TLR ter NLR ter signalne poti, ki so povezane z njimi. Relevantnost odkritij za zdravje, predvsem na področju vnetnih bolezni, bomo preverili na vzorcih pacientov v sodelovanju z zdravniki.
S pomočjo pristopov sintezne biologije bomo zasnovali oz. izboljšali pristope za zaznavanje bolezenskih stanj ter aktivacijo proteinov, ki imajo zdravilne učinke. V okviru tega pristopa bomo uporabili naše znanje s področja imunologije ter izkušnje sodelavcev z medicinskega področja, da bomo identificirali področja, kjer lahko uspešno uporabimo celično terapijo. To bo omogočilo nove pristope v terapiji, kar bomo preizkusili na živalskih modelih. Področja, na katerih bomo uporabili te pristope, bodo predvsem regeneracija tkiva, rak ter kronične vnetne bolezni.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagane raziskave v programu bodo odgovorile na pomembna vprašanja na področjih znanosti o življenju, še posebej v medicinsko pomembnih procesih. Poleg tega nameravamo pripraviti nova orodja sintezne biologije, tako na področju bionanomaterialov kot tudi celične logike. Takšna orodja bodo zelo uporabna za raziskovalce na področju sintezne biologije, pa tudi širše biotehnologije in ved o življenju na splošno. Naša nedavna odkritja novega modularnega načina zvitja proteinov v nove vzorce zvitja in izvedba celične logike v sesalskih celicah s pomočjo modularnih DNA vezavnih proteinov so vzbudila veliko pozornost, kar je vidno npr. v vabilih za predavanji na dveh Gordonskih konferencah v letu 2014 ter vabilu na Gordonsko konferenco, ki bo v letu 2015. S pripravo tetraedra iz ene polipeptidne verige smo odprli novo usmeritev raziskav na področju bionanotehnologije. Pri tem odkritju smo se zgledovali pri DNA nanotehnologiji, vendar ima zaradi lastnosti polipeptidov in možnosti priprave v celičnih tovarnah zelo velik potencial za dejanske aplikacije ter za industrijsko uporabo. S predlaganimi cilji programa bomo naredili velik korak k premikanju meja te tehnologije ter k razširitvi raziskovalnih skupin, ki so aktivne na tem področju. Objava dizajna tetraedra je bila deležna komentarjev v revijah Nature, Science, Nature Biotechnology in C&E News, zato pričakujemo, da bo nadgradnja teh uspešnih raziskav še bolj odmevna. Podoben vpliv pričakujemo za raziskave na področju načrtovanja celičnih vezij, kjer pričakujemo bistveno povečanje dosedanje zmogljivosti celičnih vezij in številne primere uporabe bodisi za biotehnološke ali medicinske namene. Poznavanje mehanizmov molekulskega prepoznavanja v imunskem sistemu je pomembno za razumevanje fizioloških procesov v celicah in organizmih ter nepogrešljivo za načrtovanje zdravil. Spoznanja na področju molekulskega mehanizma aktivacije TLR ter NLR bodo pomembna za razumevanje delovanja sistema naravne imunosti, zato lahko pričakujemo odmevne objave v uglednih znanstvenih revijah. Razumevanje mehanizma aktivacije receptorjev naravne imunosti je eden od temeljnih problemov imunologije in implementacija tega znanja v terapevtske aplikacije je zelo pomembna. Zaradi široke vloge TLR pri sterilnih vnetnih procesih sega pomen teh raziskav tudi na področje avtoimunosti, raka, nevropatske bolečine in številnih drugih bolezni. Inovativna kombinacija sintezne biologije ter imunologije ima velik potencial, da postane lep primer relevantnosti sintezne biologije za področje zdravja.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskovalni program Molekularna biotehnologija ima velik neposredni pomen za družbo preko doseganja visokega mednarodnega nivoja znanosti in izobraževanja visoko usposobljenih kadrov. V zadnjem obdobju je farmacevtska in biotehnološka industrija izkazala veliko zanimanje za naše kadre, saj se je v njej zaposlilo kar 9 sodelavcev, ki so se usposabljali v naši programski skupini. Nekdanji sodelavci programa so se v industriji izkazali kot visoko usposobljeni. Še več pa je študentov, ki so se v naši programski skupini usposabljali v okviru projektov iGEM in so potem nadaljevali svojo pot v raziskavah, v drugih programskih skupinah pa tudi na vrhunskih univerzah v tujini. Ti študenti predstavljajo most slovenske znanosti s tujino in potencialne kadre, ki se lahko po končanem usposabljanju vrnejo v Slovenijo. Od leta 2006 je naša programska skupina preko izjemnih uspehov na tekmovanjih raziskovalnih projektov v najbolj eminentni akademski konkurenci pomembno pripomogla k promociji naravoslovja in znanosti v širši javnosti in promociji Slovenije kot države z odlično znanostjo in izobraževanjem. Omenjeni uspehi so odmevali po vsem svetu in v Sloveniji preko več sto objav v časopisih, revijah, na radiu, TV, spletnih straneh … in skoraj ni bilo medija, v katerem ne bi poročali o naših uspehih. Preko aktivnosti v promociji znanosti smo in bomo pripomogli k večjemu zanimanju mladih za študij naravoslovja in tehnologije ter k večji podpori javnosti za investicije v znanje. Raziskovalna tematika programa se v veliki meri dotika področja skrbi za zdravje, kjer sodelujemo v svetovnem vrhu pri odkrivanju mehanizmov obrambe organizma pred patogeni. To znanje prenašamo v konkretne rezultate, ki jih bomo lahko uporabili za izboljšanje človekovega zdravja, ne samo v Sloveniji ampak globalno. Raziskave na področju sintezne biologije spadajo v veliki meri med usmerjene temeljne projekte, kjer imamo ves čas v mislih tudi potencialno uporabo za izboljšanje kvalitete življenja, od izboljšanja izkoristka biosintezne proizvodnje, zmanjšanja ekološke obremenitve ter energijske zahtevnosti proizvodnje, večje učinkovitosti, cenovne dostopnosti do varnosti novih načinov zdravljenja. Rezultate raziskav nameravamo pretvoriti v konkretne visokotehnološke produkte, ki jih nameravamo preko različnih načinov (ustanovljeno podjetje, prodaja licenc in patentov) pripeljati do trga. Potencialno uporabne rezultate bomo zaščitili s patenti, kar lahko omogoči bodisi prodajo licence bodisi ustanovitev podjetja, ki bi te rezultate poslovno izkoristilo. Hitro možnost komercializacije novih metod lahko pričakujemo predvsem za izboljšanje biosinteze ter diagnostične metode.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
