Revista >> Octombrie 2018 [Nr. 208] >> Cercetare & Invatamant superior

INCDSB, în avangarda cercetărilor nanotehnologiei bazate pe ADN

Dr. Manuela Elisabeta Sidoroff, director general INCDSB

25 Octombrie 2018

• Institutul înregistrează rezultate deosebite, aplicabile în medicina de precizie și în nano-inginerie

Centrul de excelență în domeniul Științelor Vieții, Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Științe Biologice (INCDSB) promovează cercetări fundamentale și aplicative în domenii de vârf precum biologia celulară și moleculară, biotehnologie, biodiversitate, bioanaliză și bioinformatică. Institutul se dezvoltă pe trei direcții de cercetare: biomedicină (inclusiv biologie celulară și moleculară, inginerie tisulară), agricultură și alimentație, precum și studii legate de biodiversitate. Toate aceste trei direcții sunt susținute și corelate de o structură orizontală ce constă în următoarele domenii principale: bioanaliză, bioinformatică și bioproduse și biotehnologii. În continuarea prezentarii rezultatelor notabile ale institutului, ne vom referi la realizările obținute anul acesta de Colectivul din cadrul Departamentului de Bioinformatică în proiectul „Modelarea, Proiectarea şi Analiza Sistemelor Sintetice Capabile de Auto-asamblare – MoDASyS”, proiect co-finanțat de Fondul European de Dezvoltare Regională prin Programul Operațional Competitivitate 2014-2020. Obiectivul științific general al proiectului constă în introducerea şi dezvoltarea cercetărilor în domeniul nanotehnologiei bazate pe ADN în România şi creşterea capacităţilor şi competenţelor ştiinţifice ale cercetătorilor români, astfel încât să aibă loc creşterea participării româneşti în cercetare la nivelul Uniunii Europene.

Cel mai „mic” omagiu adus Marii Uniri
Nanotehnologia, este la momentul actual una dintre cele mai importante domenii de cercetare și dezvoltare la nivel mondial. În acest domeniu, ADN-ul s-a dovedit a fi un material de construcție foarte versatil. Progresul științific în acest domeniu la momentul actual include asamblarea și funcționalizarea unor structuri exacte la nivel bi- și tri-dimensional, precum și punerea în aplicare a unor metode de calcul molecular specifice, compatibile cu mediul biologic de cultură, in vitro. Auto-asamblarea acizilor nucleici este tratată atât ca o forma de nanotehnologie structurală, dar și ca un model de calcul.

Tehnica ADN Origami, este cea mai notabilă metodă de proiectare în direcția nanotehnologiei structurale. Procesul de auto-asamblare începe cu o singură secvența lungă de ADN mono-catenar, numită secvență platformă (scaffold strand) care este „pliată” în forma dorită cu ajutorul a aproximativ 200 de secvențe scurte de ADN, așa numite secvențe-capsă (staple strands). De la introducerea sa inițială în 2006, ADN-ul Origami a extins semnificativ sfera aplicațiilor în domeniul nanotehnologiei, acesta putând fi programat pentru a obține nanostructuri bidimensionale arbitrare, dar și panouri de dimensiuni la scara nano pentru arhivarea nanomaterialelor sau chiar nano-obiectelor tridimensionale complicate. ADN-ul Origami a fost inițial introdus ca o tehnică de obținere a nanostructurilor de tip 2D, ulterior tehnologia dezvoltându-se pentru a crea structuri de tip tridimensional.

Tehnica ADN Origami este studiată și implementată în România numai în cadrul INCDSB. În cadrul proiectului MoDASyS, cercetătorii institutului urmăresc folosirea acestei metode pentru a crea nano-materiale noi, cu caracteristici deosebite, pentru aplicabilitate în medicină și în nano-ingineria de precizie.

Astfel, în cursul anului 2018, în cadrul institutului, a fost realizată prima asamblare experimentală a unei structuri de ADN Origami simple. Structura, este o placă pătrată de dimensiune 100x100 nanometri.

Petru a demonstra eficacitatea procesului de proiectare și pentru a marca Centenarul Marii Uniri, cercetătorii institutului lucrează la proiectarea unei structuri ADN Origami în forma hărții României, cu un decupaj în interiorul structurii reprezentând cifra 100. Pentru a crea această structură au fost folosite mediile de calcul ca DNAno și Maya, în care au fost introduse dimensiunile exacte ale structurii. Aceste medii de calcul dedicate au ajutat în determinarea numărului și a secvențelor de aminoacizi necesare pentru implementarea oligoelementelor capsă. Secvența platformă a structurii este realizată dintr-un ADN monocatenar circular derivat din virusul E. coli M13p18, care se pliază în forma dorită. Aceasta oferă baza în care oligoelementele capsă pot hibridiza pentru a forma structura nanometrică. Forma este menținută compactă cu ajutorul secvențelor capsă, care împiedică ADN-ul viral să se desfacă. În perioada imediat următoare, cercetătorii din institut urmează să sintetizeze modelul hărţii în cadrul experimentelor de laborator.

Rezultatele obținute până în momentul de față de către echipa de cercetători, s-au concretizat în acceptarea pentru publicarea în reviste internaționale a următoarelor articole științifice:
1. Alexandru Amarioarei, Gefry Barad, Eugen Czeizler, Ana-Maria Dobre, Corina Itcus, Victor Mitrana, Andrei Paun, Mihaela Paun, Frankie Spencer, Romica Trandafir, Iris Tusa, 2018, DNA-guided Assembly of Nanocellulose Meshes, Theory and Practice of Natural Computing TPNC, Soft Computing, Springer.
2. Corina Itcus, Alexandru Amarioarei, Eugen Czeizler, Ana-Maria Dobre, Victor Mitrana, Florentina Negre, Andrei Paun, Mihaela Paun, Manuela Elisabeta Sidoroff, Romica Trandafir, Iris Tusa, 2018, 3D DNA Origami Map Structure Simulation, Romanian Journal of Information Science and Technology.
3. A. Amarioarei, G. Barad, E. Czeizler, E. Czeizler, A. M. Dobre, C. Itcus, A. Paun, M. Paun, R.Trandafir, I. Tusa, 2018, One dimensional DNA tiles self-assembly model simulation, International Journal of Unconventional Computing, Volume: 13 Issue: 4-5, 399-415 .

ADN Origami este investigată de câțiva ani și cu perspectiva aplicațiilor în medicina de precizie. Sunt două direcții principale de interes în această arie de cercetare: ADN Origami folosit pentru bio-senzori și ADN Origami folosit ca vehicul de transport precis pentru medicamente. Ca bio-senzor, ADN-ul Origami a fost folosit cu succes pentru a detecta secvențe specifice de nucleotide. Controlul este atât de precis încât astfel de construcții pot distinge două secvențe de nucleotide, care diferă doar printr-o singură mutație. Au mai fost de asemenea dezvoltate și aplicații ale acestora ca senzori pentru proteine și pentru molecule de ARN. Ca vehicul de transport al unui medicament, scopul este de a elibera medicamentul cu precizie numai în celulele canceroase. Studii recente au arătat că doxorubicina, un medicament folosit în tratamentul oncologic, poate fi distribuit unor celule canceroase prin intermediul unei structuri bazate pe ADN Origami. Experimentele din ultimii ani au demonstrat că nanostructurile de ADN Origami posedă abilități de a spori eficacitatea chimioterapiei, de a reduce efectele adverse secundare și chiar de a preveni rezistența la medicamente.