Projekti / Programi
Molekularno-biološke raziskave mikroorganizmov
01. januar 2009
- 31. december 2012
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.05.00 |
Naravoslovje |
Biokemija in molekularna biologija |
|
| 3.01.00 |
Medicina |
Mikrobiologija in imunologija |
|
| 4.06.00 |
Biotehnika |
Biotehnologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B230 |
Biomedicinske vede |
Mikrobiologija, bakteriologija, virologija, mikologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.07 |
Naravoslovne vede |
Druge naravoslovne vede |
Bakterije, arheje, glive, rezistenca, virulenca, genetski mehanizmi, antibiotiki, halocini, membrana, transport, plazmidi, regulacija izražanja genov, biosinteza, transformacija, konjugacija, evolucija, halofili, psihrofili
Raziskovalci (12)
Organizacije (1)
Povzetek
Mikroorganizmi so najuspešnejši organizmi zaradi izredne metabolne raznolikosti ter uspešnega tekmovanja za hranila in prostor. V ta namen: 1. sintetizirajo antibiotike, 2. razvijajo obrambe pred antibiotiki in 3. naseljujejo ekstremna okolja.
1. Mikroorganizmi so povzročitelji številnih obolenj vendar izzovejo bolezen samo v kolikor premagajo obrambne mehanizme gostitelja, uspešno tekmujejo z drugimi mikroorganizmi in se širijo v gostitelju. Na infektivni proces lahko delujemo tako, da preprečimo sintezo virulenčnih dejavnikov, vendar je za to nujno razumevanje mehanizmov uravnave njihove sinteze.
Kolicini so bakteriocini, ki jih sintetizirajo sevi vrste Escherichia coli in delujejo proti občutljivim celicam iste ali sorodnih vrst. Za sintezo kolicina K, so odgovorni trije tesno povezani geni. So antibiotiki ozkega območja delovanja, ki uničijo enteropatogene ne pa ostale mikrobne flore. Cilji in predvideni rezultati so razumevanje izražanja kolicina K kot osnove za bolj učinkovito produkcijo bakteriocinov, ki bi jih uporabili v terapevtske namene kakor tudi kot model za razjasnitev mehanizmov uravnavanja virulenčnih dejavnikov bakterij.
2. Mikroorganizmi so v okolju uspešni tudi zaradi sposobnosti obrambe pred protimikrobnimi spojinami. Primer obrambe proti bakteriocinom je transporter Bcr iz bakterije Bacillus licheniformis, ki omogoča mnogim bakterijam rezistenco proti peptidnemu antibiotiku bacitracinu. Spada med ABC transporterje, ki so bodisi specifični za določeno snov (npr. antibiotik) ali pa nespecifični, tim. "multidrug resistance" proteini. Eden slednjih je P-glikoprotein pri človeku, ki igra pomembno vlogo pri rezistenci rakastih celic proti kemoterapevtikom. Zanimivo je, da sta rezistenca (proti bacitracinu) in občutljivost (za detergente) pri celicah z bacitracinskim prenašalcem in pri človeških celicah s P-glikoproteinom, povezana pojava. Od proteinov, ki sestavljajo bacitracinski transporter je ključen transmembranski protein BcrC. Ugotovili smo sorodnost s proteinsko naddružino PAP2 ter domnevni fosfatazni mehanizem delovanja. Kaže, da ima ta protein pri bakerijah ključno vlogo, saj se sevov s popolnoma nefunkcionalnim proteinom ni dalo izolirati. Poglavitno vprašanje, na katerega bomo skušali odgovoriti je - pri katerem.
3. Med skrajnostna okolja, ki jih naseljujejo skoraj izključno mikroorganizmi, sodijo okolja z nizko temperaturo in visoko koncentracijo NaCl. Glive so bile doslej v takih naravnih okoljih neznane. V vodah Sečoveljskih solin smo kot prvi odkrili ekstremofilne glive, ki smo jih nato zasledili še v izjemno slanih vodah treh celin. Raziskavam halofilnih gliv se je pred kratkim pridružilo še proučevanje gliv v izjemno hladnem okolju Arktike in preučevanje ekstremno halofilnih arhej.
Halofilne in psihrofilne glive so dragocen vir novih biotehnoloških produktov s posebnimi lastnostmi in edinstveni modeli za raziskave prilagoditev biomolekul in celic na ekstremne pogoje. Izolirane glive bomo klasično in molekularno identificirali, s poudarkom na opisu za znanost novih vrst in filogenetski klasifikaciji. Na nivoju fizioloških raziskav se bomo osredotočili na prilagoditve na nivoju celične stene in genske uravnave melaninske sinteze, lipidne sestave membran, njene fluidnosti in udeležbe raftov, produkcijo kompatibilnih topljencev pri pogojih visoke slanosti in nizkih temperatur in koncentracije ionov v citoplazmi v odvisnosti od delovanja membranskih ionskih črpalk.
Tudi halofilne arheje so pomembni producenti biološko aktivnih snovi, saj imajo njihovi halocini potencialno klinično in biotehnološko uporabnost. Preučevali bomo različne halocine na proteinskem in genetskem nivoju. Po osamitvi halofilnih arhej bomo z biokemijsko in filogenetsko analizo ovrednotili izolirane seve ter določili producente halocinov. Halocine bomo biokemijsko karakterizirali. S študijem interakcij halocinov z lipidnimi membranami bomo poskušali razjasniti mehanizem delovanja halocinov.
Pomen za razvoj znanosti
Naše raziskave virov ESBL in metalo beta-laktamaz predstavljajo pomemben prispevek k širšemu razumevanju evolucije in ekologije zapisov za odpornost proti antibiotikom. Poleg bakterij, ki so odporne proti antibiotikom so pomembne tudi za antibiotike tolerantne bakterije, saj te predstavljajo vir kroničnih okužb. Ugotovili smo, da ni neposredne povezave med odzivom SOS in aktivnostjo ß-laktamov, ki so največkrat uporabljani antibiotiki. Na drugi strani pa se odziv SOS morda odraža pri pojavu tim. perzisterjev, domnevno zaradi metabolne neaktivnosti proti antibiotikom tolerantnemu delu bakterijske populacije. Kljub temu, da je bilo prvo poročilo o njih objavljeno že davnega leta 1944, je še vedno malo znanega o mehanizmih njihovega porajanja. Vsaj dve hipotezi skušata pojasniti ta pojav: (1) SOS sistem, kot del odziva bakterij na stres, sproži sintezo Tis toksina/antitoksina - produkt gena tisB, ki deluje na membrani. Z zmanjšanjem protonske gonilne sile in nivoja ATP povzroči, da celica prestopi v dormantno stanje; in (2) kopičenje indola, ki kot signalna molekula v stacionarni fazi sproži sintezo izločenih proteinov, toksičnih snovi ter proteinov, ki sodelujejo pri odgovoru celice na oksidativni stres. Nobena od njih ni povsem prepričljiva. Naši rezultati raziskav dodatnih genov razkrivajo proteine, ki bi lahko postali primerne tarče za razvoj novih protimikrobnih snovi. Metagenomski pristop k raziskovanju mehanizmov, ki so odgovorni za nastanek in vzdrževanje izjemne raznolikosti genomov bakterij, ki jih uvrščamo v isto vrsto je pokazal, da ključno vlogo pri vzdrževanju genomske raznolikosti igrajo bakterijski plenilci – bakteriofagi. Uporaba tehnik metagenomike in genomike ene celice je pokazala, da v slanici solin živijo trije novi in razširjeni mikroorganizmi, ki jih z drugimi metodami ni bilo možno opaziti in, ki jih uvrščamo v Gammaproteobacteria ter novo opisano skupino Nanohaloarchaea. Primerjalna raziskava okoljskih 16S rRNA je pokazala, da jamski mikroorganizmi, ki tvorijo raznobarvne makroskopske združbe sten jame, niso naključne temveč verjetno povsem prilagojene na jamsko življenje, saj je struktura tovrstnih združb bila enaka v geografsko zelo oddaljenih jamah.
Pomen za razvoj Slovenije
V Sloveniji tako kot drugje, odpornost bakterij proti antibiotikov predstavlja eno največjih groženj zdravju ljudi in živali. Za uspešno zdravljenje bakterijskih okužb in omejevanja širjenja odpornosti proti antibiotikom je nujno natančno spremljanje pojavljanja determinant odpornosti proti antibiotikom sicer bomo ostali nemočni pri zdravljenju bakterijskih okužb. Ker zdravljenje v glavnem poteka emperično, bo potrebno predpisati zaporedno več antibiotikov ali kombinacije antibiotikov kar bo dražje in škodljivo zaradi širjenja dodatnih rezistenc. Bolj pogosto bo potrebno zdravljenje v bolnišnicah kar izjemno poveča stroške zdravljenja, vpliva na kvaliteto življenja in še dodatno ogroža ostale bolnike saj so zdravstvene ustanove že sedaj prava legla determinant odpornosti proti antibiotikom. V boju proti odpornosti je ključno odkritje in uporaba novih protimikrobnih substanc z ožjim območjem delovanja usmerjenim le proti patogenu in ne proti pripadnikom mikrobiote. Morske spužve so bogat vir protimikrobnih snovi z velikim potencialom za uporabo v industriji ter biomedicini. Poleg tega, uporaba sevov, ki imajo zapis za protimikrobno substanco, ki bo sintetizirana šele v patogenem tarčnem organizmu se izognemo razvoju odpornosti. Poleg proti antibiotikom odpornih bakterij so perzisterji morda glavni razlog za trdovratnost kroničnih infekcij, povezanih predvsem z bolnišničnim zdravljenjem. Pojasnitev njihovega nastanka lahko okrepi delovanje trenutno dostopnih antibiotikov in prispeva k zdravstveni blaginji ter skrajšanju dni, preživetih v bolnišnici. Biotska raznolikost je najpomembnejši naravni vir Slovenije. Med ekonomske in strateške pridobitve, ki jih prinašajo naše raziskave skrajno slanih in podzemnih okolij lahko štejemo odkritje mikroorganizmov, ki proizvajajo doslej neznane antibiotike, terapevtike, encime in polimere, ki jih lahko uporabimo tako v znanstvene kot tudi v industrijske namene. Mednarodna znanstvena sodelovanja, ki smo jih vzpostavili v okvirju skupine nam omogočajo, da pri delu uporabljamo nove tehnike določanja nukleotidnega zaporedja in genomike ene celice, kar postavlja slovensko znanost ob bok svetovni.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
