Revista >> Octombrie 2016 [ Nr. 188] >> Cercetare & Invatamant superior

INCDTIM Cluj-Napoca şi tehnologiile biomoleculare emergente ce ţintesc aplicaţii biomedicale

Dr. Ioan Turcu, Sef Departament Fizica Moleculara si Biomoleculara, INCDTIM Cluj-Napoca

27 Octombrie 2016

Direcţiile strategice ale Departamentului de Fizică Moleculară şi Bio-moleculară al Institutului Național de Cercetare Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice și Moleculare (INCDTIM) din Cluj-Napoca se definesc prin dezvoltarea de: i) Sisteme moleculare şi biomoleculare cu arhitectură şi funcţionalitate controlate pentru dezvoltarea economică durabilă; ii) Tehnologii moleculare cu aplicaţii în domeniile medicinei, bioeconomiei, ecotechnologiilor și bionanotechnologiilor emergente. Obiectivul nostru principal este de a reuni expertiza științifică și abilitățile tehnologice, în scopul de a contribui în mod substanțial la promovarea INCDTIM drept furnizor major de soluţii inovative pentru dezvoltarea aplicaţiilor biomedicale.

Biofotonica în diagnoza moleculară bazată pe ADN
Conservarea resurselor genetice vegetale este esenţială pentru securitatea alimentară şi pentru protejarea biodiversităţii, în ingineria genetică și în programele de ameliorare a plantelor. Pe de altă parte, agenţii care alterează genomul, prin ruperea legăturilor de hidrogen dintre bazele azotate şi/sau prin blocarea replicării şi transcrierii ADN au devenit ţinte de mare interes în dezvoltarea de viitoare terapii împotriva cancerului.

Acidul dezoxiribonucleic este o moleculă biologică de mare importanţă, a cărei dublă elice codifică relaţiile structură-funcţie pentru o gamă largă de procese esenţiale ale vieţii. Având în vedere lungimea mare a moleculei de ADN, este necesar să fie dezvoltate metode care să rezolve structurile fragmentelor lungi ale catenelor de ADN.

O importantă direcţie de cercetare din cadrul departamentului nostru îşi propune dezvoltarea de noi metode de diagnoză moleculară bazată pe ADN şi noi terapii anticancerigene bazate pe iradierea cu pulsuri laser ultrascurte de ordinul femtosecundelor. Recent, în cadrul INCDTIM au fost iniţiate şi dezvoltate aplicaţii specifice ale spectroscopiei vibraţionale dedicate obţinerii amprentelor spectrale ale ADN-ului nativ provenind din plante şi bacterii. Tehnicile utilizate de grupul nostru de cercetare s-au bazat pe spectroscopia Raman cu amplificare de suprafaţă (SERS) pentru ADN genomic de la plante, respectiv spectroscopia în infraroşu pentru ADN bacterian. În particular, structura moleculelor de ADN genomic de la diferite soiuri de plante a fost analizată prin SERS, înainte şi după procesul de crioconservare.

Structurile protonate ale ADN au de asemenea un rol important în dezvoltarea aplicaţiilor terapeutice la nivel genetic. Astfel de structuri au fost investigate de noi, prin spectroscopia Raman de rezonanţă în UV, în scopul caracterizării unui situs natural de recunoaştere ADN. Ne propunem ca în viitor, să testăm potenţiala corelare a proprietăţilor biofizice ale segmentelor de ADN, respectiv rearanjarea genomică cu un numar de boli ereditare umane importante.

Cercetările din domeniu sunt coordonate de Dr. Cristina M. Muntean şi sunt parţial finanţate de către CNCS-UEFISCDI prin proiectul de cercetare PN-II-ID-PCE-2012-4-0115.

Diagnoză biomedicală ultrarapidă – Spectroscopia vibraţională ultrasenzitivă
Detecția și identificarea rapidă a microorganismelor patogene au un impact major asupra sănătății publice. Recent, s-au constatat limite reale și consecințe grave, în special în pediatrie (episodul sindromului hemolitic uremic), în cazul metodelor microbiologice tradiţionale, datorate intervalului mare de timp (de ordinul zilelor) necesar identificării patogenului la nivel de tulpină. Pe de altă parte, o dată cu progresul în chirurgie (transplante de organe, chirurgie neonatală), respectiv în medicina de urgențe, s-au semnalat tot mai frecvent complicații post-operatorii severe de tip infecții nozocomiale care conduc la șoc septic în lipsa unui tratament țintit.

O metodă alternativă de diagnoză rapidă a prezenţei agenților patogeni, bazată pe spectroscopia ultrasenzitivă Raman de amplificare la suprafață (SERS) a fost iniţiată şi este în curs de implementare în cadrul INCDTIM. Diagnoza principalilor patogeni responsabili de sepsis bazată pe tehnologia optică este o soluție fiabilă care combină un test colorimetric de tip bandeletă (similar celui de sarcină) cu spectroscopia optică portabilă, pentru un diagnostic de tip „point of care”. Tehnica implică nivele vibraţionale ale biomoleculelor membranare care modifică lungimea de undă a radiaţiei împrăştiate pe proba recoltată de la pacient, imersată într-o suspensie de nanoparticule metalice. Din interacțiunea laserului cu membrana celulară a patogenului rezultă o amprentă spectrală specifică care, prin comparare cu amprente spectrale standard din baze de date existente, asigură identificarea tulpinii patogene în câteva minute. Următoarea etapă, de maxim câteva ore constă în obţinerea antibiogramei. Protocolul dezvoltat în cadrul grupului nostru de cercetare are un mare potenţial în tratamentul țintit și eficient al infecțiilor și reducerea semnificativă a ratei de mortalitate, mai ales cea infantilă, dată de tulpinile tot mai agresive.

Proiectul de cercetare descris mai sus (PN-II-RU-TE-2014-4-0862), finanțat de CNCS-UEFISCDI, se derulează începând cu anul 2015, în Departamentul de Fizică Moleculară și Biomoleculară al INCDTIM Cluj-Napoca, având ca director de proiect pe Dr. Nicoleta Elena Dina. Implementarea este asigurată de o echipă tânără, formată din patru cercetători științifici și doi doctoranzi din domeniile Fizică, Biologie și Chimie, cu vârste până în 35 de ani.