Razvoj novih večfunkcionalnih nanocimov na osnovi kovinskih oksidov in njihova toksikološka karakterizacija (NaNoZymSafe)

Naravni encimi so vseprisotne biomolekule, ki uravnavajo hitrost biokemičnih reakcij v živih organizmih in so bistveni del celičnih presnovnih poti. Imajo bodisi izjemno specifičnost za kataliziranje reakcije za eno samo molekulo bodisi prilagodljivost za kataliziranje celotne skupine biokemičnih reakcij. Zaradi visoke katalitične aktivnosti, specifičnosti substrata in dobre biokompatibilnosti, se pogosto uporabljajo na različnih področjih, kot so predelava hrane, kmetijstvo, medicina, kemična industrija in varstvo okolja. Vendar imajo naravni encimi nekatere omejitve, saj običajno niso na voljo v velikem obsegu, imajo labilno katalitično aktivnost in so občutljivi na pogoje okolja. Nanomateriali, ki služijo kot umetni encimi nove generacije, imenovani nanocimi, so zaradi svojih edinstvenih lastnosti v primerjavi z naravnimi encimi v zadnjem času pritegnili veliko pozornosti. Imajo izboljšano katalitično učinkovitost, odlično stabilnost, nizke proizvodne stroške in, kar je zelo pomembno, encimom podobne katalitične lastnosti (npr. oksidaza, peroksidaza, katalaza, superoksid dismutaza, fosfataza). Razvijajoče se področje nanocimov ima širok spekter možnih aplikacij (npr. zaznavanje, slikanje, tkivno inženirstvo, diagnosticiranje in zdravljenje bolezni, čiščenje odpadkov in varstvo okolja) pri povezovanju področij nanotehnologije, biomedicine in okoljske znanosti. Cilj projekta NaNoZymSafe je razviti in sintetizirati nove večfunkcionalne nanocime na osnovi kovinskih oksidov z možnostjo uporabe v medicini, analitiki, biotehnologiji, konzerviranju hrane in okolju. Najprej bomo izvedli strukturno in fizikalno-kemijsko ter nadalje še toksikološko karakterizacijo nanocimov z namenom oceniti njihovo varnost za ljudi in okolje. Kot eksperimentalni model bomo uporabili napredne in vitro 3D-celični modele, razvite iz človeških hepatocelularnih (HepG2) celic in normalnih jeternih celic (ZFL) odraslih rib cebric (Danio rerio). Njihove morebitne škodljive učinke bomo preučevali z ocenjevanjem primarnih poškodb DNK (testi komet, γH2AX, H3- histon) in kromosomskih poškodb (test mikrojeder) ter vpliva na celični cikel, proliferacijo, oksidativni stres in apoptozo. Da bi pojasnili osnovne mehanizme toksičnosti, ki so bistvene informacije za sodobno oceno tveganja, bomo izvedli toksikogenomske analize za opredelitev najbolj občutljivih molekularnih poti, povezanih z opaženimi učinki na celice. To bo omogočilo boljše razumevanje možnih tveganj za zdravje ljudi in okolje. Nadalje bomo vpliv nanocimov na okoljske organizme ocenili na različnih trofičnih nivojih, ki bodo vključevali primarne proizvajalce in nevretenčarje, medtem ko bomo vpliv na razvoj zarodka proučili na modelu zarodka rib cebric (Danio rerio). Povezovanje novih dognanj strukturnih, fizikalno-kemijskih in toksikoloških lastnosti novih večfunkcionalnih nanocimov na osnovi kovinskih oksidov, bo omogočilo celovitejše razumevanje povezav med značilnostmi nanocimov in biološkimi lastnostmi. Razumevanje mehanizmov, na katerih temeljijo biološki učinki, je še posebej pomembno za preprečevanje uporabe nevarnih nanomaterialov v humani medicini. Vse to bo omogočilo pristope varnega načrtovanja, ki bodo bistveno izboljšali varnost nanocimov in najverjetneje tudi povečali zaupanje javnosti v te materiale in tehnologije, ki jih izkoriščajo. Inovativen NaNoZymeSafe projekt bo potekal v okviru sodelovanja slovenskih znanstvenikov z Nacionalnega inštituta za biologijo in Instituta Jožef Stefan ter tujih strokovnjakov iz “Universidad Zaragoza” in “Consejo Superior de Investigaciones Científicas”, Španija, “Instituto Nacional de Saude dr. Ricardo Jorge”, Portugalska in “Inštituta za medicinska istraživanja i medicinu rada”, Hrvaška, ki se dopolnjujejo na področjih znanosti o materialih, nanotehnologije, nanotoksikologije, genetske toksikologije in ekotoksikologije, molekularne biologije ter omskih tehnologij.