Molekularna biotehnologija: od dinamike bioloških sistemov do aplikacij

V vedah o življenju prihaja do prehoda od molekularnega na sistemski nivo, kar obeta razvoj nove kvalitete v razumevanju kompleksnih bioloških sistemov kot sta imunski in metabolni sistem. Izhodišče programa je povezovanje osnovnih raziskav na mednarodno primerljivem znanstvenem nivoju z razvojem njihovih aplikacij oz. na vsebinah raziskav, ki obetajo potencialno uporabnost, predvsem na področju skrbi za zdravje. Poudarek programa je na razumevanju odgovora človeškega organizma na bakterijske infekcije in mehanizma konformacijskih bolezni na molekularnem nivoju in na razumevanju delovanja metabolizma mikroorganizmov usmerjenega v povečanje produkcije različnih farmacevtsko pomembnih produktov. V raziskavah receptorjev za LPS bomo raziskovali izven-celične (MD-2, TLR4 in CD14) kot tudi na znotraj-celične receptorje. Razumevanje interakcij na molekulskem nivoju lahko vodi k novim spojinam, s katerimi bomo lahko nevtralizirali prekomeren imunski odziv. Cilj teh raziskav je pojasnitev biokemijske specifičnosti t.i. PAMP receptorjev, to je receptorjev, ki prepoznavajo molekularne vzorce patogenih mikroorganizmov. Na osnovi povezave med strukturo in biološko aktivnostjo (SAR) bomo razvili nove (lipo)peptide in ugotovili razlike v vezavi na bakterijske membrane in njihovi selektivnosti. Na področju skrbi za zdravje raziskujemo tudi bolezni povezane s konformacijskimi spremembami proteinov, predvsem TSE (prenosljive spongiformne encefalopatije). Monoklonska protitelesa so se uveljavila kot nepogrešljivo diagnostično orodje in kot potencialna zdravila. S kombiniranjem imunokemije z metodami proteinske in strukturne biokemije smo naredili prvi korak pri analizi specifičnosti protiteles, ki prepoznajo patogeno obliko prionskega proteina (PrPSc), povezano z Creutzfeldt-Jakobovo boleznijo. Ta in druga orodja nam bodo omogočila izboljšati detekcijo in zgodnjo diagnostiko bolezni in po drugi strani prispevati k pojasnitvi mehanizma infektivnosti TSE. Program vključuje tudi raziskave metabolizma industrijskih mikroorganizmov. Z raziskavami primarnega metabolizma ter vplivom sprememb v okolju na regulacijo metabolizma se bomo osredotočili na 6-fosfofrukto-1-kinaza (pfkA), pri kateri smo ugotovili, da se njene encimske lastnosti močno spremenijo med procesom post-translacijske modifikacije. Okrajšan gen za sintezo bolj aktivnega encima nameravamo prenesti v drug komercialno pomemben mikroorganizme. Za opazovanje celičnih sprememb in vivo predvsem pri evkariontih je potreben tudi razvoj novih znotrajceličnih senzorjev na osnovi fluorescenčnih proteinov, s katerimi bomo lahko spremljali strukturo in dinamiko celičnih funkcij. Študij signalizacije v mikroorganizmih bomo usmerili na analizo Ca++, cAMP in pH znotraj živih celic.

Člani programske skupine so pomembno sooblikovali razvoj sintezne biologije v svetu v zadnjem času. Koncept, ki so ga vpeljali je načrtovana modularnost, kar pomeni uporabo domen, ki se lahko pripravijo v številnih variantah, s pomočjo katerih lahko pripravimo nove modularne strukture ali uvedemo celično logiko. Tovrstni modularni gradbeni elementi so dimerne obvite vijačnice za pripravo novih tipov proteinskega zvitja katerega definira topologija, kar je najbrž najbolj izviren prispevek te skupine k znanosti v zadnjem obdobju. Priprava proteinskega tetraedra je doživela izjemen odmev v znanstveni skupnosti. Druga skupina modularnih gradnikov so DNA vezalni proteini na osnovi TALE domen, s pomočjo katerih smo pripravili ortogonalna NOR vrata ter bistabilno gensko stikalo. Dodatno lahko izpostavimo prispevke k dizajnu biosintetskega ogrodja na snovi DNA in DNA vezalnih domen, ki je izboljšala produkcijo treh reakcij in bila deležna posnemanja.

Program Molekularna biotehnologija je pomemben za Slovenijo ker se uvršča med vodilne skupine na področju raziskav naravne imunosti in sintezne biologije. Program omogoča stik s svetovnim vrhom na teh dveh področjih, ki sta pomembni tudi za zdravje ter kot vedno bolj pomembno tehnološko področje. Pomembna je vloga programske skupine za šolanje usposobljenih raziskovalcev, ki so sposobni reševati zahtevne znanstvene ter razvojne probleme. Uspehi skupine na področju znanost ter visokošolskega izobraževanja ter intenzivna mednarodna vpetost pomenijo promocijo Slovenije kot razvite države ter pomembnega partnerja. Sodelovanje s podjetji na področju visoke tehnologije omogoča prenos znanstvenih dosežkov v industrijsko uporabo s partnerji v Sloveniji ali po svetu. Skupina je pomembna tudi za promocijo znanosti kot ključnega dejavnika uspešnega razvoja ter del intelektualne identitete v Sloveniji na nivojih od srednješolcev, njihovih mentorjev, študentov, raziskovalcev, politike ter širše javnosti.