Transcript Centrul de Cercetări Avansate pentru

Academia Română
Institutul de Chimie Macromoleculară „Petru Poni” din Iaşi
PROIECTUL PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
SISTEME DE INSPIRAŢIE BIOLOGICĂ
PENTRU ENTITĂŢI PROIECTATE STRUCTURAL ŞI FUNCŢIONAL
Biologically inspired systems for engineered structural and functional entities
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
COMPETIŢIA ...
Proiectul PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
Înscris în competiţia IDEI COMPLEXE – 2011 şi evaluat în cadrul a trei subdomenii distincte:
D.1. - Ştiinţele vieţii,
- subdomeniul LS9 - Ştiinţele aplicate ale vieţii şi biotehnologii,
- sfera ştiinţifică a Biomimeticii;
D.2. – Ştiinţe aplicative şi inginerie,
- subdomeniul PE5 – Materiale şi Sinteză,
- sfera ştiinţifică a Chimiei compuşilor macromoleculari;
- subdomeniul PE4 – Chimie fizică şi analitică,
- sfera ştiinţifică a Nanochimiei.
Proiect cu caracter accentuat interdisciplinar, circumscris următoarelor sfere ştiinţifice :
LS9_10 - Biomimetică ;
PE5_20 - Chimia compuşilor macromoleculari ;
PE4_2
- Nanochimie .
9 aprilie 2015
2
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
PROIECTUL ...
Obiectivul de fundal al proiectului
Racordarea la domeniile actuale de interes în ştiinţele aplicate, cu precădere la cele asociate
ştiinţelor vieţii, prin constituirea unor colective performante, cu reale şanse de a aborda
tematici interdisciplinare în sfere ştiinţifice de vârf, capabile să atingă rapid nivelul european
de performanţă.
Ţintele generale
- Conceperea şi realizarea unor studii fundamentale şi aplicative asociate sferei biomimeticii.
- Proiectarea, generarea şi caracterizarea unor entităţi nano- şi micro-structurate, active
drept „unelte” în tehnicile de reprogramare şi terapie genică, precum şi în ingineria tisulară.
- Înregimentarea în eforturile de tratare şi eradicare a disfuncţiilor de origine genetică şi a celor
incidentale, eforturi aliniate iniţiativelor de creştere a calităţii vieţii, cu cert impact social.
9 aprilie 2015
3
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
PROIECTUL ...
Obiectivul pragmatic al proiectului
Dezvoltarea unor noi tipuri de entităţi biomimetice, active în vehicularea informaţiei genetice.
Obiectivul ştiinţific
Proiectarea, obţinerea şi testarea preliminară în regim ex-vivo a unor entităţi funcţionale
caracterizate prin:
- dimensiuni şi conformaţii apte asocierii cu tronsoane de ADN, în condiţii non-inactivante;
- solubilitate în mediu apos, atât individual, cât şi în asociere cu tronsoanele de ADN;
- stabilitate compoziţională şi conformaţională în mediul tisular şi intracelular;
- abilitatea de a străpunge membrana celulară fără destructurarea asocierii cu ADN-ul;
- rezistenţă la agresiunile enzimatice din mediul intracelular;
- trasabilitate fluorimetrică per se şi în asociere cu tronsoane de ADN;
- posibilitatea de determinare cantitativă extra- şi intra-celulară, prin tehnici non-invazive;
- destructibilitate extra- şi intra-celulară în regim controlat, fără generarea de debriuri citotoxice, imunogene ori sistemic adverse.
Obiectivul ştiinţific abreviat: Realizarea de vectori genetici non-virali.
9 aprilie 2015
4
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
PROIECTUL ...
Obiectivul operaţional al proiectului
Realizarea şi testarea preliminară a unui cargo-complex cu structură şi funcţionalitate de
inspiraţie biologică, proiectat ca vehiculant al informaţiei genetice, astfel încât să:
- chemo-mimeze histonele, legând stabil dar reversibil tronsoane de ADN;
- morfo-mimeze nucleozomul prin abilitatea de a împacheta tronosane de ADN
cu capacităţi de codificare a informaţiei genetice de ordinul a 2  5 kilobaze azotate;
- bio-mimeze vectorii virali, prin abilitatea de a penetra membrama celulară şi de a trafica
intracitoplasmatic informaţia genetică în condiţii de asigurare a integrităţii;
- confere abilitatea de transfecţie unui surogat de ţesut, în regim de matrice genetic-activă
cu operare ex-vivo, în scopul reprogramării celulelor pentru o evoluţie organo-tipică.
Caracterul de noutate al proiectului
Constă în abordarea în manieră inginerească a realizării cargo-complexului, în etape succesive
de proiectare compoziţională, structurală şi conformaţională, urmate de testarea abilităţii de
asociere cu tronsoanele de ADN şi de traficare intactă a acestora la nivel extra- şi intra-celular.
9 aprilie 2015
5
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
ENTITĂŢILE BIOMIMATE ...
Entităţile ţintă ale proiectului
Structurile supramoleculare naturale unitare ce funcţionează drept vehiculanţi ai ADN-ului,
numite nucleozomi şi alcătuite din miezuri proteice cu structură şi conformaţie stabilă.
Miezul proteic,
format din histone
(proteine bazice,
policationice la
pH-ul intracelular)
Substituirea unităţii nucleozomale
printr-o entitate de sinteză
Unitate nucleozomală
Complecşi supramoleculari policationici,
obţinuţi prin conjugarea unor lanţuri polimerice
la unul sau mai multe centre de tip fullerenic.
Exemplu: Catenele de PEG arginilate [–(O – CH2 – CH2)n – COO – Arg]
cu şase unităţi etilen-oxidice (n = 6) asigură edificii stabile
cu diametrul echivalent de 6,2 nm, similare histonelor.
9 aprilie 2015
6
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
ENTITĂŢILE BIOMIMATE ...
Octamerul histonic – Obiectivul chemomimării …
Histonele sunt agregate proteice
supramoleculare alcătuite din
opt unităţi (şase structurale
şi două cu rol de reţinere sterică
a ADN-ului).
Unităţile structurale sunt
puternic alcaline, pentru a lega
ionic ADN-ul, anionic datorită
9 aprilie 2015 grupărilor fosfat.
Unitate nucleozomală
7
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
ENTITĂŢILE BIOMIMATE ...
Înlănţuirea nucleozomală – Obiectivul morfomimării …
Prin înlănţuire, unităţile nucleozomale asigură împachetarea
densă a ADN-ului în spaţii reduse, într-un raport dimensional
de 1 : 10.000.000.
O catenă de ADN cu lungimea de 1,8 metri este astfel masată
până la o lungime de 90 de microni (0.09 mm), împachetată
într-un volum de 2 microni cubi (0,002 mm3).
Împachetarea este consecinţa asocierii electrostatice intense
între histone şi ADN.
Înlănţuirea este rezultatul orientării sterice rigide a capetelor
tronsoanelor de ADN bobinate pe un agregat nucleozomic.
9 aprilie 2015
8
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
ENTITĂŢILE BIOMIMATE ...
Funcţionalitatea virală – Obiectivul biomimării …
Din punct de vedere funcţional, un virus este un transportor
al informaţiei genetice.
În termenii ingineriei genetice, virusul este un cargo-complex,
capabil să împacheteze, să încapsuleze, să vehiculeze şi să
transfere acizi nucleici, în condiţii de nealterare compoziţională
şi conformaţională.
Pentru a funcţiona drept cargo-complecşi, virusurile au în componenţă
ansambluri macromoleculare structurate, ce conţin domenii cu
reactivitate redusă ori controlabilă
şi conformaţie stabilă.
Virusurile dispun de o multitudine de structuri moleculare
care le permit „navigarea” prin ţesuturi şi prin fluidele
organismelor, „andocarea” la suprafaţa membranelor
celulare, străpungerea acestora, „traficarea”
intracitoplasmatică, „andocarea” la mambrana
nucleară şi „largarea” conţinutului
de acizi nucleici în citoplasmă sau
prin porii membranei nucleare.
9 aprilie 2015
9
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
ENTITĂŢILE BIOMIMETICE VIZATE ...
Cargo-complecşii unitari – „Unelte” destinate manipulării genice ...
Pentru a livra tronsoane intacte de ADN,
cargo-complexul „încărcat” trebuie să strâbată
nealterat cinci bariere extra- şi intra-celulare:
- ambientul extracelular organotipic;
- membrana celulară a celulelor organotipice;
- ambientul endocitotic şi lizozomal;
- sistemul direcţional al porilor membranei
nucleare;
- ambientul aglomerat al cromatinei.
Penetrarea membranei celulare şi rezistenţa faţă
de atacul enzimelor intracelulare sunt factorii cu cel
mai sever impact asupra funcţionalităţii cargocomplexului, ce trebuie avuţi în vedere la
proiectarea compoziţională a acestuia.
Structura cvasi-sferoidală a cargo-complexului ţintă,
cu trei sfere concentrice, distinct funcţionale :
- sfera internă, ce asigură morfologia
Tractabilitatea în câmp magnetic şi trasabilitatea
cargo-complexului şi asocierea cu
fluorimetrică sunt opţiuni importante şi ele în
tronsoanele de ADN;
etapa de proiectare a cargo-complexului.
- sfera mediană, ce asigură compactarea
ADN-ului legat şi capacitatea de încărcare;
- sfera externă, ce asigură abilităţile de
transfecţie, trasare şi anturare.
9 aprilie 2015
10
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
ENTITĂŢILE BIOMIMETICE VIZATE ...
Morfologia preconizată a cargo-complexului ...
„Miezul” cationic împachetează ADN-ul.
„Braţele” amfifilice dirijează „bobinarea”
ADN-ului şi înlănţuirea unităţilor.
„Braţe”
amfifilice
semirigide
Necesitatea de a reproduce
etapizat: reactivitatea, morfologia
şi funcţionalitatea octamerului
histonic.
„Miez” cationic
9 aprilie 2015
Scara relativă 1 : 3
(micşorată de trei ori)
Scara relativă 1 : 1
Unitatea nucleozomală nativă
Substitutul de sinteză
al unitatăţii nucleozomale
11
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
ENTITĂŢILE BIOMIMETICE VIZATE ...
Unităţile de proiectare şi construcţie moleculară ...
(Posibilitatea de a genera biblioteci de unităţi morfo-structurale,
pe principiile chimiei combinatoriale.)
... cationice;
... amfifilice;
... active prin legături
de hidrogen;
9 aprilie 2015
... zwitterionice, cu edificii
spaţiale modelabile;
12
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
ENTITĂŢILE BIOMIMETICE VIZATE ...
De ce structuri bazate pe derivaţi ai fullerenei C60 ... ?
1. Deoarece fullerena C60 are dimensiuni individuale
de acelaşi ordin de mărime cu cel al catenelor
oligo- şi macro-moleculare cu tendinţă de
autoasamblare.
2. Deoarece fullerenele pot fi funcţionalizate
în poziţii sterice bine definite, permiţând
proiectarea spaţialităţii conjugatelor, concomitent
cu proiectarea reactivităţii locale la scurtă distanţă.
3. Datorită înaltei versatilităţi în chimia fullerenelor.
(Posibilităţile de marcare şi de anturare chimică
nuanţate.)
9 aprilie 2015
13
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
FILOSOFIA PROIECTULUI ...
Proiectul este conceput ca bazându-se
pe trei piloni:
(i) - centrarea pe aplicaţiile
fulerenelor funcţionalizate;
(ii) - atribuirea şi testarea în etape
logic înlănţuite a nivelurilor
de mimare;
(iii) - asigurarea funcţionalităţii
cargo-complexului drept
„unealtă” pentru aplicaţii de
reprogramare şi terapie genică.
B.PO.1. – Testing the DNA binding ability
B.PO.2. – Certification of DNA packaging
capacity (expressed in kilobases)
B.PO.3. – Testing the integrity of associated
DNA and its stability in cell culture milieu
B.PO.4. – Testing the entities traceability
in cell culture and inside cells
Pragmatic objectives
- (vii) Preparing for gene
traficking tests
- (viii) Biomimiking ability
final evaluation
- (v) Testing
- (vi) Certification
Biomimesis
3
- (i) Design
- (ii) Synthesis
Building blocks
valorization
- (iii) Inducing
- (iv) Assessing
Problem
solving levels
Chemomimesis
Building blocks
obtaining
9 aprilie 2015
Pragmatic objectives
1
2
Morphomimesis
Pragmatic objectives
Building blocks
using
C.PO.1. – Specific fullerene functionalization
M.PO.1. – Spatial shape definition,
by conjugation reactions
C.PO.2. – Reactive polymer and dendrimer
synthesis
M.PO.2. – Three-dimmensional tailoring,
by controlled aggregation
C.PO.3. – Insertion of membrane penetrating
and cell recognition domains
M.PO.3. – Positional association of magnetic
tracking and clustering / trapping promoter sites
C.PO.4. – Traceability ensuring by fluorescent
labeling
M.PO.4. – Assembling with mineralization salts
and reinforcing macromolecules
14
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
CONSORŢIUL ...
Consorţiul instituţiilor participante
a fost construit pentru a asigura
complementaritatea în cele
patru domenii aplicative
pe care proiectul
le implică.
Domeniul ţintă
9 aprilie 2015
15
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
CONSORŢIUL ...
Consorţiul instituţiilor participante
a fost construit pentru a asigura
complementaritatea în cele
patru domenii aplicative
pe care proiectul
le implică.
Componenţa consorţiului:
- Institutul de Chimie Macromoleculară „Petru Poni” din Iaşi
- Institutul de Biologie şi Patologie Celulară „Nicolae Simionescu” din Bucureşti
- Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi
- Centrul de Chimie Organică „Costin D. Neniţescu” din Bucureşti
Trei institute ale Academiei Române şi o universitate.
Acronimele instituţiilor participante:
- ICMPP
- IBPC
- TUIASI
- CCO
9 aprilie 2015
16
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
CONSORŢIUL ...
Abordări teoretice
“ In silico …”
Proiectarea cargo-complexului şi modelarea componentelor acestuia
Structură
Co, P1, P2, P3, P5
Funcţionalitate
Co, P3, P4, P5
Reactivitate
Co, P1, P2
Proiectarea şi documentarea căilor de sinteză
Fullerene: Co
Conjugare: P2
Substrat: P5
Abordări experimentale
“ On the bench …”
Chemo-mimarea histonelor
Derivaţi ai fullerenei
Co
Fullerenoizi / polimeri
P2
Domenii biotipice
P3, P4, P5
Supramolecularitate
Co, P2, P3, P5, P6
Capacitate transport
Co, P2, P3, P5, P6
Trei obiective privind mimarea.
32 task-uri pentru atingerea
obiectivelor.
Abordări inginereşti (Opţionale !)
Posibilităţi de scaling-up
Trasabilitate
Co, P3, P4
Morfo-mimarea nucleozomului
(Bio)Conjugare
Co, P2
Sinopticul partajării
sarcinilor în cadrul
consorţiului
Sinteză chimică
Co, P2, P3, P5
Testare amplă
Co, P3, P4, P5
Schiţe de know-how
Asociere la substrat
Co, P2, P3, P5
Documentaţie
Co, P1, P2, P3, P5
Brevetare
Co, P3, P5
Bio-mimarea vectorilor genetici
Capacitate legare
Co, P2, P3, P4, P5
Abilitate împachetare
Co, P2, P3, P4, P5
Stabilitate
Co, P2, P3, P4, P5
Trasabilitate
Co, P2, P3, P4, P6
Abilitatea de transfecţie a surogatului de calus
Abilitate asociere
P3, P4, P5
9 aprilie 2015
Stabilitate
Co, P3, P4, P5, P6
Trasabilitate
Co, P3, P4, P5, P6
Neprevăzute în mod expres
în proiect.
Transfecţie
P3, P4, P5
17
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
ECHIPELE MEMBRE ALE CONSORŢIUL ...
Partajarea sarcinilor asumate în cadrul consorţiului
Cod
Echipele şi afilierea acestora
Liderul
Sarcini asumate
Co
Colectivul NANOBIOCONJUGATE
al ICMPP
Dr. Mariana
PINTEALĂ
Sinteze cu fulerene
funcţionalizate.
P1
Colectivul PROIECTARE MOLECULARĂ
al ICMPP
Acad.
Bogdan C.
SIMIONESCU
Modelare moleculară
in silico.
P2
Colectivul SISTEME CU
Dr. Mihail
BĂRBOIU
Generare de structuri
supramoleculare.
Dr. Adrian
SALIC
Sisteme (bio)polimere
funcţionale biochimic.
AUTOASAMBLARE
al ICMPP
P3
Colectivul FIZICO-CHIMIA
BIOSISTEMELOR
al ICMPP
9 aprilie 2015
P4
Colectivul BIOLOGIE MOLECULARĂ
al IBPC
Acad. Maya
SIMIONESCU
Lucrul cu acizi
nucleici
(in vitro şi ex vivo)
P5
Colectivul INGINERIE TISULARĂ
al TUIASI
Prof. dr. ing.
Geta DAVID
Substituenţi ai
matricei
18
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
IMPLICAREA ECHIPELOR MEMBRE ALE CONSORŢIULUI ...
Distribuirea în timp a sarcinilor în cadrul consorţiului
Diagrama
Gantt
9 aprilie 2015
- Derularea în paralel a activităţilor.
- Distribuirea corelată a sarcinilor.
- Poziţionarea în timp a etapelor
de evaluare şi reconfigurare
a derulării activităţilor în cadrul
proiectului.
19
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
IMPLICAREA ECHIPELOR MEMBRE ALE CONSORŢIULUI ...
Implicarea colectivelor exprimată în ponderi ale activităţii
categoriilor de personal (om · lună)
Co
P1
P2
P3
P4
P5
P6
Total
Seniori
36
30
36
36
15
72
36
261
Experimentaţi
20
Doctoranzi
50
20
50
70
35
12
Masteranzi
54
Postdoctoranzi
86
80
32
37
15
10
36
296
237
12
18
29,7 %
6,1 %
33,7 %
27 %
1,4 %
2,1 %
34
Administraţie
18
12
Parteneri
210
130
118
143
65
140
72
878
100%
90%
P6
Co
80%
Seniori
Experimentaţi
Postdoctoranzi
Doctoranzi
Masteranzi
Administraţie
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
60,84 % tineri
0%
Co
9 aprilie 2015
P1
P2
P3
P4
P5
P6 Total
20
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
IMPLICAREA ECHIPELOR MEMBRE ALE CONSORŢIULUI ...
Implicarea colectivelor exprimată în echivalent norme întregi
Co
P1
P2
P3
P4
P5
P6
Total
Seniori
1
0.8
1
1
0.4
2
1
7.2
Experimentaţi
0.6
1
1.6
Postdoctoranzi
2.4
2.2
0.9
1
0.4
0.3
1
8.2
Echipa proiectului include doi cercetători
de marcă din diaspora românească:
- Dr. Mihail Bărboiu (CNRS, Franţa)
- Dr. Adrian Salic (Harvard, USA)
Doctoranzi
1.4
0.6
1.4
1.9
0.9
0.3
Masteranzi
6.5
0.3
0.3
0.6
Co
Experimentaţi
2.0
P6
Parteneri
6
3.6
3.3
3.9
1.7
3.9
2
24.4
Seniori
2.5
Postdoctoranzi
P1
1.5
1.0
Doctoranzi
0.5
Masteranzi
0.0
Administraţie
P5
P2
P4
9 aprilie 2015
Administraţie
0.6
P3
21
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
POTENŢIALUL ŞTIINŢIFIC AL PROIECTULUI ...
Angajamentul privind diseminarea şi publicarea rezultatelor
Diseminarea rezultatelor activităţii
în cadrul proiectului se va realiza prin:
- pagina WEB;
- workshop – uri de lansare, anuale şi de
finalizare a proiectului;
- manifestările curente ale instituţiilor
participante în proiect;
- workshop-uri organizate în comun cu
instituţii şi companii ce activează în
domeniul ştiinţelor viului şi al practicii
analitice;
- cursuri şi stagii de pregătire a tinerilor
masteranzi şi doctoranzi;
- participări semnificative la manifestări
ştiinţifice şi academice internaţionale.
9 aprilie 2015
Rezultate ştiinţifice asumate prin proiect
Anul
Articole ISI
Brevete
Conferinţ
e
2012
4
2013
6
2014
9
2015
6
1
1
Total
25
2
7
1
1
2
3
- Cel puţin 5 dintre lucrările ISI vor fi realizate
prin colaborare internaţională.
- Conferinţele vor fi susţinute în plen, în cadrul
unor evenimente cu participare internaţională.
- Cel puţin 12 dintre sarcinile de diseminare
vor fi asigurate de către tinerii cercetători.
22
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
ECHIPA DE IMPLEMENTARE A PROIECTULUI ...
Performanţele şi experienţa managerială instituţiei coordonatoare
a proiectului
www.intelcentru.ro
Institutul de Chimie Macromoleculară „Petru Poni” din Iaşi, institut al Academiei Române,
posedă o bogată experienţă în derularea proiectelor şi a programelor de cercetare.
Demne de remarcat sunt rezultatele activităţii din decursul anului 2011, când:
- au fost publicate 263 lucrări ştiinţifice în periodice cotate ISI;
- au fost înregistrate 292 participări la manifestări ştiinţifice internaţionale;
- a fost finalizat Centrul de Cercetări Avansate pentru Bionanoconjugate şi Biopolimeri,
printr-un proiect cofinanţat de Uniunea Europeană în valoare de 15.658.593 lei,
care cuprinde în structura sa trei divizii (Sinteză chimică şi biosinteză, Analiză instrumentală şi imagistică ştiinţifică, Inginerie tisulară şi vectori genetici non-virali) şi un
laborator independent (Modelare chimică şi Bioinformatică); directorul proiectului, Dr.
Mariana Pinteală.
În perioada ultimilor trei ani încheiaţi (2009  2011), institutul a derulat:
- proiectul FP7-REGPOT-2010-1 – STREAM (Strengthening the Romanian Research
Capacity in Multifunctional Polymeric Materials), în calitate de coordonator; valoarea
încasată 2.800.000 Euro;
- Programul de Burse Post-doctorale European Social Fund "Cristofor I. Simionescu“,
POS-DRU, Axa prioritară 1; valoarea încasată 5.000.000 Euro;
- proiecte finantate prin programul POS-CCE în valoare de 1.600.000 Euro.
9 aprilie 2015
23
PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028
ECHIPA DE IMPLEMENTARE A PROIECTULUI ...
Anvergura ştiinţifică a conducătorilor echipelor proiectului
Calitatea
în cadrul
proiectului
9 aprilie 2015
Numele şi prenumele
Indice
Hirsch
Activitate semnificativă
în tematica proiectului
(media 17,5)
Director proiect
Dr. Pinteală Mariana
10
61 articole
5 capitole carte
15 conferinţe invitate
9 proiecte, în calitate de director
Responsabil P1
Acad. Simionescu C. Bogdan
19
310 articole
58 conferinţe invitate
Responsabil P2
Dr. Bărboiu Mihail
24
10 monografii; articole în
Science, JACS, Angew. Chem.
Responsabil P3
Dr. Salic Adrian
18
Articole în revistele Cell şi Nature
Chem. Biol.; brevete aplicate
Responsabil P4
Acad. Simionescu Maya
39
Evaluator NSF
(National Science Fundation)
Responsabil P5
Prof. dr. ing. David Geta
8
102 articole
30 coferinţe invitate
Responsabil P6
Dr. Dumitru Florina
4
Articole publicate în Chemical
Communications
Între conducătorii echipelor există deja colaborări îndelungate, soldate cu lucrări ştiinţifice
şi proiecte comune de cercetare.
24