Opis projekta: Elektrostatska imobilizacija bakterij in vpliv na njihovo fiziologijo

V naravi ima ekstracelularni matriks, ki obdaja celice ključno vlogo za normalno delovanje celic. Prostorska omejitev, ki jo omogoča matriks celicam služi za zaščito pred predatorji in antibakterijskimi agensi, vzpostavitev visokih koncentracij celic in koagregacijo različnih tipov celic, hkrati pa predstavlja matriks, kjer se koncentrirajo različne bioaktivne molekule. V biotehnoloških procesih se te naravne principe lahko izkorišča tako, da imobilizacijo bakterij uvedemo umetno. V večjem številu primerov so že pokazali, da je takšen pristop izredno učinkovit, saj imobilizacija celic poenostavi postopek in poveča njegov izkoristek. Trenutno najbolj pogosto uporabljeni pristopi za imobilizacijo temeljijo na agregaciji s pomočjo dehidracije in naknadne peletizacije, na ujetju celic v gel ali sol-gel ali v matrix z navzkrižno povezavo naravnih (npr. alginata ali karagenana) ali umetnih polimerov (npr. poliakrilamida, polietilenglikola ali polivinil alkohola). Ker interakcije med celicami in matriksom temeljijo na fizikalno kemijskih principih, je znanje koloidne fizike izjemnega pomena za razvoj novih strategij oziroma pristopov za imobilizacijo.

 

Več o projektu
Ena takšnih strategij bi lahko temeljila na prirejenem postopku za nalaganje oziroma vezavo nabitih polimernih molekul v obliki slojev (angl. Layer-by-layer; LBL). Tehnika LBL je bila podrobno raziskana in tudi pogosto uporabljena za modifikacije površin anorganskih in neživih organskih materialov v dveh (klasične površine materialov) ali treh dimenzijah (mikro in nanodelci). Kapsule, ki pri tem nastanejo, so zelo tanke in porozne, a hkrati tudi elastične in močne, kar je posledica načina aplikacije polimerov v obliki večplastnega ovoja nanometrske debeline. Z uporabo različnih načinov uporabe tehnike LBL za enkapsulacijo celic (npr. spreminjanjem ionske jakosti, pH medija, tipa, velikosti in razvejanosti polimerov, vnosa kovalentnih vezi med polimeri) lahko vplivamo na poroznost in debelino kapsule, ter na naboj površine. Ker bakterijske celice lahko obravnavamo kot poseben tip mehkih delcev, ki imajo zaradi celične stene in membrane negativen naboj, lahko to lastnost uporabimo za enkapsulacijo celic, spremembo površine, imobilizacijo ali ujetje celic v matriks, tako da uporabimo polielektrolitne polimere tako, kot to običajno uporabljamo pri tehniki LBL in neživih površinah ali delcih.
Glede na našo hipotezo lahko bakterijske celice učinkovito in trajno ujamemo med sloje polielektrolitnih polimerov. V nasprotju z dosedanjimi raziskavami mi upoštevamo, da so bakterijske celice, ki so mikronske velikosti, drugačne kot neživi delci, ki jih običajno enkapsuliramo s tehniko LBL, saj: (i) imajo celice zelo raznoliko t.i. mehkost površine zaradi proizvajanja zunaj celičnega matriksa dinamične celične stene, (ii) se lahko celice prilagodijo, metabolno ali s spreminjanjem organizacije celične površine, na nalaganje polimerov na površini celice, (iii) lahko pozitivno nabiti polimeri vplivajo na preživelost celic in (iv) lahko ovoj proizveden s tehniko LBL vpliva na fiziologijo celic zaradi poroznosti kapsule, difuzije hranil in fizičnega zaviranja rasti in delitev. Glede na našo hipotezo so cilji projekta, da: (i) razvijemo postopek za imobilizacijo bakterijskih celic s pomočjo tehnike LBL, (ii) opišemo fizikalno kemijsko in mikroskopsko enkapsulirane bakterije, (iii) določimo vpliv enkapsulacije s pomočjo polielektrolitov na fiziologijo in delitev celic ter (iv) ocenimo razlike ravnotežja mase v imobiliziranih in prostih bakterijskih celicah.

 

Projektna skupina:

Skupino sestavljajo raziskovalci iz petih slovenskih raziskovalno izobraževalnih institucij:

  • Institut Jozef Stefan
  • Institut za metagenomiko in mikrobne tehnologije
  • Fakulteta za farmacijo Univerze v Ljubljani
  • Fakulteta za strojništvo Univerze v Mariboru
  • Medicinska fakulteta Univerze v Mariboru

 

Faze raziskav v prvem letu projekta (za leto 2016)
Priprava izbranih celic in polielektrolitov za LbL depozicijo (Mesec 1 ­ 24) (Vodilni partner: Strojna fakulteta, Univerza v Mariboru ­ FMEUM)
Sklop 2.1 Določitev mehanskih in elektrostatiskih lastnosti intaktnih celic (FMEUM, MFUM)

Sklop 2.2 Priprava in modifikacija površin bakterijskih celic pred depozicijo polielekrolitov (IMMT)

Sklop 2.3 Selekcija in derivatizacija primernih polielektrolitov in njihovih kombinacij (FMEUM, MFUM)

 

LbL enkapsulacija izbranih bakterijskih celic (Mesec 1 ­ 36) (Vodilni partner: Farmacevtska fakulteta, Univerza v Ljubljani ­ FPUL)

Sklop 3.1 Razvoj protokola za LbL enkapsulacijo (IMMT)

Sklop 3.2 Raziskave mehanskih sprememb in morfologije enkapsuliranih celic in njihovih površin po enkapsulaciji (FPUL)

Sklop 3.3 Karakterizacija suspenzije enkapsuliranih celic (FPUL)

 

Pomembne reference projektne skupine

 

Znanstveni članki:

HOREMANS, Benjamin, LAPANJE, Aleš, et al. Biocarriers improve bioaugmentation efficiency of a rapid sand filter for the treatment of 2,6-dichlorobenzamide (BAM)-contaminated drinking water. Environmental science & technology, ISSN 0013-936X. [Print ed.], 2016, vol. 51, issue 3, str. 1616-1625, doi: 10.1021/acs.est.6b05027.

RIJAVEC, Tomaž, LAPANJE, Aleš. Hydrogen cyanide in the rhizosphere : not suppressing plant pathogens, but rather regulating availability of phosphate. Frontiers in microbiology, ISSN 1664-302X, [in press] 2016, 45 str., doi: 10.3389/fmicb.2016.01785.

MIRTIČ, Janja, KOGEJ, Ksenija, BAUMGARTNER, Saša, SMISTAD, Gro, KRISTL, Julijana, HIORTH, Marianne. Development of cetylpyridinium-alginate nanoparticles : a binding and formulation study. International journal of pharmaceutics, 2016, vol. 511, iss. 2, str. 774-784, graf. prikazi. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378517316307153, doi: 10.1016/j.ijpharm.2016.07.065.

MIRTIČ, Janja, KOGEJ, Ksenija, GAŠPERLIN, Mirjana, LAPANJE, Aleš, KRISTL, Julijana. Polielektrolitni kompleksi kot osnova za načrtovanje novih nanodelcev in nanooblog = Polyelectrolyte complexes as a platform for development of novel nanoparticles and nanocoatings. Farmacevtski vestnik, ISSN 0014-8229. [Tiskana izd.], 2016, letn. 67, št. 4, str. 310-317, ilustr. http://www.sfd.si/?mod=catalog&action=view&group=1.

FINŠGAR, Matjaž, PERVA-UZUNALIĆ, Amra, STERGAR, Janja, GRADIŠNIK, Lidija, MAVER, Uroš. Novel chitosan/diclofenac coatings on medical grade stainless steel for hip replacement applications. Scientific reports, ISSN 2045-2322, Published online:24 May 2016, vol. 6, art. no. 26653, str. 1-17, doi: 10.1038/srep26653.

 

Patenti

LAPANJE, Aleš. Postopek impregnacije in pritrditve mikroorganizmov v porozne materiale : patent SI 24910 A. Ljubljana: Urad RS za intelektualno lastnino, 29. jul. 2016.

 

Vse reference za prvo leto projekta:

Reference vodje skupine dr. Aleša Lapanje (2016-2017)

Reference celotne projektne skupine (2016-2017)

 

 

 

Projekt financira Agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije

ARRS