Biofizika polimerov, membran, gelov, koloidov in celic

Program Biofizika polimerov, koloidov, membran, gelov in celic je osrednji nacionalni raziskovalni program s področja biofizike. Predlagane raziskave zajemajo široko paleto novih vprašanj in izzivov na ravni molekul, virusov, celic, tkiv in organizmov ter vključujejo tako teoretične kot eksperimentalne študije, pri čemer biofizikalno tematiko vsebinsko dopolnjujejo izbrani problemi iz fizike mehke snovi.   Program tvori 22 osnovnih in 5 dodatnih tem, združenih glede na značilno velikost v 5 vsebinskih sklopov: i) makromolekulske interakcije, ii) nanokoloidi, iii) tekočekristalni kompoziti, iv) membrane in vesikli ter v) celice in tkiva. Predlagane teme se po eni strani lotevajo temeljnih vprašanj biofizike, med katerimi so tako dlje znani nerešeni problemi, npr. pakiranje genetskega materiala v virusne kapside, kot povsem novi koncepti, npr. antifragilnost. Po drugi strani je za program značilna aplikativna komponenta, saj bo npr. pričakovano globje razumevanje interakcij med organskimi molekulami in substratom lahko vodilo do novih hibridnih mikroelektronskih naprav. Del raziskav bo potekal v sodelovanju z zdravniki, kar daje programu tudi klinični značaj. Sočasno z raziskovanjem fenomenologije bo potekal razvoj teoretičnih in eksperimentalnih pristopov, npr. mikrofluidičnih tehnik za manipulacijo vesiklov in celice, tako da bo del pričakovanih rezultatov tudi metodološki. Pomembna vidika programa sta tudi modeliranje ter razvoj minimalnih modelov struktur in procesov, npr. epitelijskih tkiv.   Program povezuje vodilne slovenske biofizike, ki svojo znanstveno odličnost izpričujejo z objavami v najvplivnejših revijah, kot so Reviews of Modern Physics in Nature. Med sodelujočimi ustanovami so Institut Jožef Stefan, Univerza v Ljubljani, Univerza v Mariboru in Univerza v Novi Gorici, del raziskav pa bodo potekal v sodelovanju z Univerzitetnim kliničnim centrom Ljubljana ter z nekaterimi visokotehnološkimi slovenskimi podjetji, kot sta Lek d.d. in Aresis d.o.o. Program je tesno prepleten z visokošolskim izobraževanjem, saj so mnogi člani predavatelji in mentorji na vseh treh stopnjah, kjer je posebej pomembno delo z mladimi raziskovalci. Izpostaviti velja tudi angažma članov programa pri popularizaciji znanosti.   Raziskovalni program je trdno vpet v globalni okvir, kar se odraža v skupnih publikacijah s kolegi iz tujine, vključenosti v bilateralne projekte in mednarodne mreže, organizaciji znanstvenih srečanj in v izmenjavi študentov. Člani programa sodelujejo s kolegi iz Avstrije, Francije, Hrvaške, Italije, Nemčije, Nizozemske, Poljske, Španije, Švedske, Velike Britanije, Združenih držav Amerike, Izraela, Irana, Japonske, Malezije in Južne Koreje. Program uživa velik ugled, o čemer priča uredniško delo članov v mednarodnih revijah, organizacijsko delo v mrežah, na konferencah, delavnicah in poletnih šolah, gostovanja na univerzah v tujini ter številna vabljena predavanja.

Predlagane raziskave in predvideni rezultati bodo prispevali k razvoju znanosti, tehnologije in medicine na temeljni, aplikativni, metodološki in klinični ravni. Teoretični del programa bo razjasnil vrsto fundamentalnih vprašanj molekulske biofizike ter fizike koloidov, tekočih kristalov, membran, celic in tkiv. Ta vprašanja preveva fenomenološko-metodološka dualnost - po eni strani nas bo tipično zanimal izbrani doslej neraziskani pojav, po drugi bomo razvijali pristope in približke, ki kar najjasneje zajamejo njegovo bistvo. V nekaterih primerih, recimo pri analizi faznega diagrama mehkih anizometričnih koloidov, seveda ni pričakovati napredka na osnovni ravni, saj je izhodiščna klasična teorija elastičnosti znana že dolgo, želimo pa razviti uporabne približke, ki bodo povzeli najvažnejši vidik interakcije med deformabilnimi delci. Prav tako fundamentalne, le da po eksperimentalni plati, bodo raziskave interakcije lipidov in proteinov z ohlapno membrano, ki bodo doprinesle k boljšemu razumevanju membranskih procesov v celični fiziologiji.   Del opisanih raziskav, ki zadeva nanostrukture iz kompleksnih tekočekristalnih molekul, sodi po svojem pomenu v znanosti o materialih in nanoznanosti. Tovrstne nanostrukture so obetavni gradniki elektroaktivnih kompozitov, polarnih prevodnih vlaken ipd. Številne aplikacije se napovedujejo z uporabo suspenzij nanovlaken tudi na področju biokemičnih senzorjev, energijskih prenosnikov in organskih katalizatorjev. Dodajanje anorganskih nanodelcev v tekočekristalne polimere lahko vodi do tvorbe tankih organskih plasti, katerih lastnosti (npr. prevodnost, emisijo nabojev) je mogoče nadzorovati z mehansko napetostjo, temperaturnimi spremembami ali osvetlitvijo, kar vodi do širokega spektra potencialnih tehnoloških in medicinskih aplikacij. Tudi naše raziskave interakcij organskih molekul z 2D materiali, ki ostajajo razmeroma slabo poznane, imajo znatno aplikativno vrednost. Pojasnile bodo namreč mehanizme urejanja organskih molekul na površinah in s tem omogočile hitrejše napredovanje na področju novih elektronskih komponent, zasnovanih na hibridnih organsko-polprevodniških sistemih. Aplikativni in klinični pomen bo imel študij agregacije proteinov, ki bo pomagal pri razvoju novih bioloških zdravil, pri čemer sodelujemo z družbo Lek d.d. Podobno velja za raziskave prepustnosti bioloških membran za različne vključke, ki bodo prispevale k boljšemu razumevanju delovanja zdravil, kar je nedvomno pomembno za njihovo učinkovito uporabo in razvoj. Za medicino je pomembno tudi poznavanje kinetike peptidnih por v fosfolipidni membrani, saj porotvorni peptidi omogočajo lažji vstop določenih spojin v jedro celice, kar izboljša rezultate terapij. Naposled bo bolj poglobljeno poznavanje vpliva maščobnih kislin na eritrocite, do katerega se želimo dokopati v predlaganem programu, prispevalo k boljšemu razumevanju stranskih učinkov parenteralne prehrane.

Pomen predlaganih raziskav za razvoj Slovenije je večplasten. Na prvem mestu velja izpostaviti, da v programu sodeluje vrsta vrhunskih raziskovalcev, ki so v državi razvili novo področje, npr. fizikalno virologijo ali eksperimentalni študij interakcij organskih molekul z grafenom - in v številnih primerih ostajajo edini ali najpomembnejši nosilci tovrstnega znanja v Sloveniji, tako da igrajo tu ključno vlogo v znanosti na nacionalni ravni. Znatnen del članov programa je na svojem področju zelo priznan tudi na mednarodni ravni bodisi v okviru raziskovalnih kolaboracij in mrež bodisi kot sodelavec znanstvenih revij, kar prav tako prispeva k razvoju in mednarodni prepoznavnosti Slovenije.   Predlagano raziskovalno delo soustvarja potrebne pogoje, v katerih lahko znaten del članov programa deluje v visokem šolstvu kot polnovredni učitelji in mentorji, ki na študente prenašajo novo znanje in jih uvajajo v raziskovalno delo. Člani programa ostajajo ključni za več visokošolskih študijskih programov, saj so nosilci več kot 50 predmetov na I., II. in III.  bolonjski stopnji na Univerzi v Ljubljani, Univerzi v Mariboru in Univerzi v Novi Gorici. Zelo dejavni so tudi kot mentorji študentom na vseh stopnjah. Tu naj izpostavimo mentorstvo mladim raziskovalcem - v preteklih 6 letih jih je v okviru programa doktoriralo kar 13. Poudarimo naj še poseben angažma dela sodelavcev programa, ki se posvečajo prenosu novih raziskovalnih rezultatov v poučevanje na vseh nivojih od osnovne šole do univerzitetnih študijskih programov ter popularizaciji znanosti v javnosti, pri čemer izhajajo predvsem iz vsebin, ki tvorijo raziskovalni program. Mnoge od teh lahko namreč na zelo jasen način izpostavijo pomembnost znanstvenih dognanj za vsakdanje življenje. S tem krepijo motivacijo učencev in dijakov za naravoslovne in tehniške študije, kjer je že leta zaznavamo pomanjkanje interesa. Ker je to področje posebej občutljivo in ker terja dolgoročno delo, je tu vloga predlaganega programa zelo velika. Čeprav program ni zelo eksplicitno usmerjen v uporabne raziskave, je del poslanstva tudi sodelovanje z gospodarstvom, še posebej na visokotehnoloških področjih, ki so zaradi svoje narave najbolj v stiku s temeljnimi raziskavami. S podjetjem Aresis d.o.o. sodelujemo pri razvoju aplikacij laserske pincete na področju mikrofluidike in celične biologije, s podjetjem Lek d.d. pa pri raziskavah agregacije proteinov v bioloških zdravilih in pri nekaterij drugih projektih. Del teh raziskav opravljajo mladi raziskovalci iz gospodarstva, ki sodelujejo s člani programa.