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
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.

1. SURMENEVA, Maria, LAPANJE, Aleš, RIJAVEC, Tomaž, et al. Decreased bacterial colonization of additively manufactured Ti6Al4$V metallic scaffolds with immobilized silver and calcium phosphate nanoparticles. Applied Surface Science, ISSN 0169-4332. [Print ed.], 2019, vol. 480, str. 822-829, doi: 10.1016/j.apsusc.2019.03.003. [COBISS.SI-ID 32170279], [JCR, SNIP]

2. SURMENEV, Roman, RIJAVEC, Tomaž, LAPANJE, Aleš, et al. Characterization of biomimetic silicate- and strontium-containing hydroxyapatite microparticles embedded in biodegradable electrospun polycaprolactone scaffolds for bone regeneration. European Polymer Journal, ISSN 0014-3057. [Print ed.], 2019, vol. 113, str. 67-77, doi: 10.1016/j.eurpolymj.2019.01.042. [COBISS.SI-ID 32170535], [JCR, SNIP, Scopus do 7. 3. 2019: št. citatov (TC): 0, čistih citatov (CI): 0]

3. GUSEV, Alexander, ZAKHAROVA, Olga, VASYUKOVA, Inna, MURATOV, Dmitry, RYBKIN, Iaroslav, BRATASHOV, Daniil, LAPANJE, Aleš, IL’INIKH, Igor, KOLESNIKOV, Evgeny, KUZNETSOV, Denis. Effect of GO on bacterial cells : role of the medium type and electrostatic interactions. Materials science & engineering. C, Materials for biological applications, ISSN 0928-4931. [Print ed.], 2019, vol. 99, str. 275-281, doi: 10.1016/j.msec.2019.01.093. [COBISS.SI-ID 32170791], [JCR, SNIP, Scopus do 7. 3. 2019: št. citatov (TC): 0, čistih citatov (CI): 0]

4. ZUPANČIČ, Špela, RIJAVEC, Tomaž, LAPANJE, Aleš, PETELIN, Milan, KRISTL, Julijana, KOCBEK, Petra. Nanofibers with incorporated autochthonous bacteria as potential probiotics for local treatment of periodontal disease. Biomacromolecules, ISSN 1525-7797, 2018, vol. 19, iss. 11, str. 4299-4306, ilustr. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.biomac.8b01181, doi: 10.1021/acs.biomac.8b01181. [COBISS.SI-ID 4619633], [JCR, SNIP, WoS do 30. 11. 2018: št. citatov (TC): 0, čistih citatov (CI): 0, Scopus do 1. 3. 2019: št. citatov (TC): 2, čistih citatov (CI): 1]

5. MIRTIČ, Janja, RIJAVEC, Tomaž, ZUPANČIČ, Špela, ZVONAR POBIRK, Alenka, LAPANJE, Aleš, KRISTL, Julijana. Development of probiotic-loaded microcapsules for local delivery : physical properties, cell release and growth. European Journal of Pharmaceutical Sciences, ISSN 0928-0987. [Print ed.], Aug. 2018, vol. 121, str. 178-187, ilustr. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928098718302410, doi: 10.1016/j.ejps.2018.05.022. [COBISS.SI-ID 4513649], [JCR, SNIP, WoS do 10. 2. 2019: št. citatov (TC): 1, čistih citatov (CI): 1, Scopus do 1. 3. 2019: št. citatov (TC): 2, čistih citatov (CI): 1]

6. CHERNOZEM, R. V., SURMENEVA, Maria, KRAUSE, Bärbel, BAUMBACH, Tilo, IGNATOV, V. P., PRYMAK, Oleg, LOZA, Kateryna, EPPLE, Matthias, ENNEN, Franka, WITTMAR, Alexandra, ULBRICHT, Mathias, CHUDINOVA, Ekaterina, RIJAVEC, Tomaž, LAPANJE, Aleš, SURMENEV, Roman. Functionalization of titania nanotubes with electrophoretically deposited silver and calcium phosphate nanoparticles : Structure, composition and antibacterial assay. Materials science & engineering. C, Materials for biological applications, ISSN 0928-4931. [Print ed.], [in press] 2018, doi: 10.1016/j.msec.2018.12.045. [COBISS.SI-ID 31977255], [JCR, SNIP, WoS do 23. 2. 2019: št. citatov (TC): 0, čistih citatov (CI): 0, Scopus do 29. 12. 2018: št. citatov (TC): 0, čistih citatov (CI): 0]

7. KUREČIČ, Manja, RIJAVEC, Tomaž, HRIBERNIK, Silvo, LAPANJE, Aleš, STANA-KLEINSCHEK, Karin, MAVER, Uroš. Novel electrospun fibers with incorporated commensal bacteria for potential preventive treatment of the diabetic foot. Nanomedicine, ISSN 1743-5889. [Print ed.], July 2018, vol. 13, iss. 13, str. 1583-1594, doi: 10.2217/nnm-2018-0014. [COBISS.SI-ID 21588502], [JCR, SNIP, WoS do 31. 8. 2018: št. citatov (TC): 0, čistih citatov (CI): 0, Scopus do 4. 8. 2018: št. citatov (TC): 0, čistih citatov (CI): 0] 8. 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.], 2017, vol. 51, issue 3, str. 1616-1625, doi: 10.1021/acs.est.6b05027. [COBISS.SI-ID 30114087], [JCR, SNIP, WoS do 27. 8. 2018: št. citatov (TC): 6, čistih citatov (CI): 6, Scopus do 29. 8. 2018: št. citatov (TC): 6, čistih citatov (CI): 6]

9. SEVERYUKHINA, A. N., LAPANJE, Aleš, et al. Light-induced antibacterial activity of electrospun chitosan-based material containing photosensitizer. Materials science & engineering. C, Materials for biological applications, ISSN 0928-4931. [Print ed.], 2016, vol. 70, part 1, str. 311-316, doi: 10.1016/j.msec.2016.09.005. [COBISS.SI-ID 29947943], [JCR, SNIP, WoS do 2. 7. 2018: št. citatov (TC): 4, čistih citatov (CI): 4, Scopus do 29. 5. 2018: št. citatov (TC): 4, čistih citatov (CI): 4]

10. LENGERT, Ekaterina, YASHCHENOK, Alexey, ATKIN, Vsevolod, LAPANJE, Aleš, GORIN, Dmitry A., SUKHORUKOV, Gleb B., PARAKHONSKIY, Bogdan V. Hollow silver alginate microspheres for drug delivery and surface enhanced Raman scattering detection. RSC advances, ISSN 2046-2069, 2016, vol. 6, iss. 24, str. 20447-20452, doi: 10.1039/c6ra02019d. [COBISS.SI-ID 29584679], [JCR, SNIP, WoS do 10. 3. 2019: št. citatov (TC): 15, čistih citatov (CI): 15, Scopus do 1. 3. 2019: št. citatov (TC): 14, čistih citatov (CI): 14]

11. PRIKHOZHDENKO, E. S., ATKIN, Vsevolod, PARAKHONSKIY, Bogdan V., RYBKIN, I. A., LAPANJE, Aleš, SUKHORUKOV, Gleb B., GORIN, Dmitry A., YASHCHENOK, Alexey. New post-processing method of preparing nanofibrous SERS substrates with a high density of silver nanoparticles. RSC advances, ISSN 2046-2069, 2016, vol. 6, no. 87, str. 84505-84511, doi: 10.1039/c6ra18636j. [COBISS.SI-ID 29948199], [JCR, SNIP, WoS do 13. 1. 2019: št. citatov (TC): 6, čistih citatov (CI): 6, Scopus do 29. 12. 2018: št. citatov (TC): 6, čistih citatov (CI): 6] 12. MIRTIČ, Janja, KOGEJ, Ksenija, GAŠPERLIN, Mirjana, LAPANJE, Aleš, KRISTL, Julijana. Polielektrolitni kompleksi kot osnova za razvoj novih nanodelcev in nanooblog = Polyelectrolyte complexes as a platform for development of novel nanoparticles and nanocoatings. Farmacevtski vestnik : strokovno glasilo slovenske farmacije, ISSN 0014-8229. [Tiskana izd.], 2016, letn. 67, št. 4, str. 310-317, ilustr. http://www.sfd.si/?mod=catalog&action=view&group=1. [COBISS.SI-ID 4103281], [SNIP, Scopus do 29. 11. 2017: št. citatov (TC): 1, čistih citatov (CI): 0]

Izbrani konferenčni prispevki:

1. LAPANJE, Aleš. What is going on when we catch alive cargo inside the polyelectrolyte capsules?. V: Programme, abstracts, 7th International Conference “Nanoparticles, nanostructured coatings and microcontainers: technology, properties, applications”, May 12-15, 2016, Tomsk, Russia. Tomsk: National Research Tomsk Polytechnic University, Saratov State University. 2016, str. 35-36. [COBISS.SI-ID 29586215]

2. TATENHOVE-PEL, Rinke van, PICIOREANU, Christian, LAPANJE, Aleš, RIJAVEC, Tomaž, BACHMANN, Herwig, TEUSINK, Bas. A sticky solution to the impact od diffusion can improve product – yield selections in water-in-oil emulsions. V: Biotechnology in harmony, Biotechnology in harmony, NBC-18, Netherlands Biotechnology Conference. 22nd of May 2018. Ede: NBC. 2018. [COBISS.SI-ID 31658535]

3. MIRTIČ, Janja, ZUPANČIČ, Špela, RIJAVEC, Tomaž, ZVONAR POBIRK, Alenka, LAPANJE, Aleš, KOCBEK, Petra, KRISTL, Julijana. Probiotic encapsulation technologies to protect and deliver microorganisms to specific target locationforms : oral presentation. V: NOSZÁL, Béla (ur.). Book of Abstracts, (Acta Pharmaceutica Hungarica, ISSN 0001-6659, Vol. 88, no. 3). Budapest: Ifjusági Lapk. 2018, str. 104-105. [COBISS.SI-ID 4598385], [SNIP]

4. RIJAVEC, Tomaž, TATENHOVE-PEL, Rinke van, RYBKIN, Iaroslav, BACHMANN, Herwig, LAPANJE, Aleš. Polyelectrolyte induced controlled aggregation of cells : metabolic coupling. V: BEŠTER-ROGAČ, Marija (ur.), et al. Book of abstracts, 32nd Conference of The European Colloid and Interface Society, Ljubljana, Slovenia, 2nd-7th September 2018. Ljubljana: Faculty of Chemistry and Chemical Technology. 2018, str. 144. [COBISS.SI-ID 31686183]

5. RIJAVEC, Tomaž, ZRIMEC, Jan, LAPANJE, Aleš. Electrostatically attached microbes affect processes of biofilm formation. V: BEŠTER-ROGAČ, Marija (ur.), et al. Book of abstracts, 32nd Conference of The European Colloid and Interface Society, Ljubljana, Slovenia, 2nd-7th September 2018. Ljubljana: Faculty of Chemistry and Chemical Technology. 2018, str. 173. [COBISS.SI-ID 31686439]

6. LAPANJE, Aleš, RIJAVEC, Tomaž, TATENHOVE-PEL, Rinke van, MIRTIČ, Janja, ZUPANČIČ, Špela, KUREČIČ, Manja, MAVER, Uroš, KRISTL, Julijana, BACHMANN, Herwig, GORIN, Dmitry A., SUKHORUKOV, Gleb B. Need for colloid biology : are bacterial cells really just particles?. V: BEŠTER-ROGAČ, Marija (ur.), et al. Book of abstracts, 32nd Conference of The European Colloid and Interface Society, Ljubljana, Slovenia, 2nd-7th September 2018. Ljubljana: Faculty of Chemistry and Chemical Technology. 2018, str. 525, OP9.3. http://ecis2018.fkkt.uni-lj.si/dist/img/ECIS2018_BA.pdf. [COBISS.SI-ID 4577649]

Patentna prijava, patent:

1. RYBKIN, Iaroslav, GORIN, Dmitry A., SUKHORUKOV, Gleb B., LAPANJE, Aleš. Method for synthesis of protein in culture of bacterial cells : patentna prijava TMA170199738. Moscow: Federal Institute of Industrial Property, 10. 7. 2017. [COBISS.SI-ID 32184871]

2. LAPANJE, Aleš. Postopek impregnacije in pritrditve mikroorganizmov v porozne materiale : patent SI 24910 A. Ljubljana: Urad RS za intelektualno lastnino, 29. jul. 2016. [COBISS.SI-ID 37774085]

Vse reference projekta:

Reference vodje skupine dr. Aleša Lapanje (2016-2019)

Reference celotne projektne skupine (2016-2019)

 

 

 

Projekt financira Agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije

ARRS