Sintezna biologija – obeti nove tehnološke revolucije
•
0 recomendaciones•1,115 vistas
Roman Jerala Sintezna biologija – obeti nove tehnološke revolucije -- 21.4.2010, Maribor
Recomendados
Recomendados
Más contenido relacionado
Más de Out of The Box Seminar
Más de Out of The Box Seminar (20)
Sintezna biologija – obeti nove tehnološke revolucije
- 1. Sintezna biologija od spreminjanja celične signalizacije do novih materialov Roman Jerala Kemijski inštitut FKKT UL
- 2. Kaj je sintezna biologija • Načrtovanje in ustvarjanje novih bioloških funkcij in sistemov • Inženiring bioloških sistemov • “Celična tovarna“
- 3. Sintezna biologija kot biološko inženirstvo Vede o življenju Inženirstvo Biotehnologija sintezna Računalništvo Genetika biologija ... Mikrobiologija Molekulska medicina Molekulska biologija ...
- 4. Modularna osnova sintezne biologije Dva temeljna pristopa sintezne biologije •Spreminjanje •Rekonstrukcija novih bioloških obstoječih bioloških sistemov: sistemov •Tvorba celotnega genoma •Sestavljanje najmanjših sistemov, ki se lahko podvajajo
- 5. Hierarhična zgradba in modularnost tkiva, organizmi računalniška omrežja celice računalniki mreže biokemijskih moduli reakcij biokemijske reakcije vezja geni, proteini elektronski elementi
- 6. Modularna osnova sintezne biologije DNK kot navodilo za izvajanje celičnega programa BioBricks (BioKocke) kot modularni gradniki: - regulatorna zaporedja - zapisi za proteine
- 7. Določanje zaporedij DNK 2001 Določitev človeškega genoma Do 2011 načrtujejo določiti 1000 genomov 60x več kot v 25 letih skupaj Poznamo genome >700 mikroorganizmov, >800 v delu
- 8. Napredek zadnjih let: 10x povečanje/leto 1000000 cost for human genome lig. 5 k$ 100000 10000 polony: 50 k$ 1000 bp/$ 100 capillary: 50 mio $ 10 1 0,1 gel: 3 bio $ 0,01 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 year Church 2009 Rob Carlson The Pace and Proliferation of Biological Technologies
- 9. Kemijska sinteza genov Avtomatska sinteza določenega nukleotidnega zaporedja 1985 prvi sintetični gen v tedanji kemijska sinteza oligonukleotidov Jugoslaviji pr. 300 nukleotidov – danes ga za 250 € dobimo v dveh tednih parjenje Danes s pomočjo robotov lahko povezovanje sestavimo DNK velikosti več 10,000 nt vstavitev v plazmid vnos v celico
- 10. Področja uporabe sintezne biologije • diagnostika in zdravljenje bolezni • obnovljivi viri energije • novi materiali & bionanomateriali • procesiranje informacij • biosenzorji in bioremediacija okolja...
- 11. Sintezna biologija za pripravo zdravil Sinteza zdravila proti malariji 250 milijonov okuženih 1 milijon žrtev letno Izolacija iz enoletnega pelina visoka cena artemisinin
- 12. Sintezna biologija za pripravo zdravil Prenos biosintezne poti v bakterije pomočjo sintezne biologije
- 13. Sintezna biologija za obnovljive vire energije Obnovljivi viri energije iz biomase encimi biomasa iz rastlin celuloza sladkorji CO2 pretvorba z mikroorganizmi gorivo
- 14. Priprava goriva iz rastlinske biomase v bakterijah Steen Nature 2010
- 15. Uporaba celic za procesiranje informacij • DNK vsebuje gostoto informacije ~1 bit/nm3, kar je bistveno več kot obstoječi elektronski mediji • DNK omogoči izvajanje logičnih operacij
- 16. Bio-fotolitografija slikanje z bakterijami, bakterije se razporedijo glede na osvetljenost plošče
- 17. Sinhrona bakterijska ura Danino, Nature 2010
- 19. Aktivacija celične signalizacije s svetlobo Levskaya, Nature 2009
- 20. Dosežki sintezne biologije na Kemijskem inštitutu • Sintezna imunologija: • Bionanotehnologija: – Spreminjanje celične – Priprava signalizacije – detekcija nanomaterialov na virusa, spreminjanje osnovi DNK in celičnega odziva peptidov – Priprava cepiv nove generacije
- 21. iGEM mednarodno tekmovanje gensko spremenjenih strojev • 2004: srečanje petih ameriških ekip (MIT, BU, Caltech, UT Austin, Princeton) • 2005: prvo mednarodno srečanje: 13 ekip, 2 evropski (ETH in Cambridge), ni formalnih nagrad in sodnikov • 2006: 37 ekip iz vsega sveta • 2007: 54 ekip • 2008: 84 ekip • 2009: 121 ekip
- 22. Udeležba najuglednejših svetovnih univerz na iGEM Sodelujočih na iGEM: 8/10 najboljših; vse 3 nemške univerze med prvo stoterico.
- 23. Projekt 2006 – zmanjšanje pretiranega imunskega odziva Sepso sproži pretiran vnetni odziv, ki ga sprožijo sestavine patigenih bakterij Celični odziv 200,000 žrtev letno v EU, ni učinkovitega zdravila Osnovni koncept: Okužba zmanjšanje zmanjšanje pretiranega odziva celičnega odziva
- 24. Signalna pot TLR – odziv na bakterijsko infekcijo MyD88 PAMP TIR domena TLR TLR TLR IRAK DD DD domena TAB2 IRAK1Kinase IRAK1Kinase IRAK4Kinase DD DD IRAK1Kinase P P P MyD88 MyD88 P P TRAF6 TRAF6 TRAF6 P P TAK1 TAK1 P P TAB1 TAB1 P P P TAB2 TAB2 P P TAK1TRAF6 TRAF6TAK1 IKKβ IKKα P P TAB1 TAB1 IKKγ MEKK3 MEKK3 IκBα Ubc13 Ubc13 Uev1A Uev1A NFκB razgradnja P65 jedro NFκB P65/50
- 25. Povzročitev imunskega odziva zaradi okužbe signalna veriga vnetni posredniki
- 26. Model z dodano negativno povratno zanko signalna veriga zaviralec zaustavi pretiran odziv vnetni posredniki
- 27. Simuliran in eksperimentalno izmerjen odziv celic
- 28. Slovenska ekipa je v prvem nastopu osvojila Grand Prize.
- 29. Slovenski iGEM projekt 2007 detekcija virusne okužbe, ki je neobčutljiva za mutacije
- 30. Zdravila proti virusu HIV Virus hitro mutira in postane odporen na zdravila
- 31. Problemi antivirusnih zdravil Mutacije! 10 – 20% ljudi okuženih s HIV v Evropi in ZDA je okuženih z mutiranimi virusi HAART – terapija s kombinacijo več zdravil Cena Celice okužene z občutljivimi (rdeča) in Doživljenska terapija odpornimi virusi HIV (zelena) pacienta z AIDS- om. Stranski učinki zdravil
- 32. FUNKCIJA 1: Vezava virusa povzroči heterodimerizacijo http://www.rhodes.edu/biology/glindquester/viruses/pagespass/hiv/attachment.jpg receptorja
- 33. Heterodimere lahko zaznamo preko cepljenih proteinov • Cepljen ubikvitin – cepitev z lastno proteazo, ki je specifična za ubikvitin – cepi na C-koncu ubikvitina • Cepljena proteaza tobačnega virusa (TEV) protease system – cepi na zelo definiranem mestu
- 34. Virusni senzor na osnovi dimerizacije HIV-I CCR5 virus CD4 cepitev membranskega sidra (TEV substrate aktivirana TEV T7 RNAP proteaza NLS signal fuzija receptorja z deli TEV proteaze premik v jedro prepisovanje protivirusnih obrambnih genov (e.g. interferon, ApoBec...)
- 35. Testiranje na celičnih kulturah pokaže uspešno delovanje Citosolna Citosolna lokalizacija lokalizacija Membranska lokalizacija kontrola + gp120 + psevdovirus
- 36. Povezava dveh korakov: aktivacija celic na osnovi TEV-T7 kontrola + gp120 + HIV psevdovirus
- 37. FUNKCIJA 2: aktivnost HIV proteaze HIV proteaza prepozna specifično mesto za cepitev: SQNY↓PIVQ aktivnost HIV proteaze se pojavi v poznem stadiju okužbe.
- 38. Sistem za zaznavanje virusa na osnovi aktivnosti HIV proteaze membransko sidro substrat za HIV proteazo HIV-I proteaza T7 RNAP NLS signal premik v jedro prepisovanje obrambnih protivirusnih genov (e.g. interferon, ApoBec...) T7 RNAP
- 39. HIV proteaza povzroči premik fluorescentnega reporterja v jedro lokacija na membrani lokacija v jedru kontrola + HIV proteaza
- 40. Aktivacija celic na osnovi aktivnosti HIV proteaze kontrola + HIV proteaza
- 42. Odmevnost projekta v svetu Odmevi Ogled spletne strani iz 78 držav http://parts.mit.edu/igem07/index.php/Ljubljana
- 43. Sintetično cepivo proti bakteriji Helicobacter pylori iGEM2008
- 44. Helicobacter pylori • Stopnja okuženosti po svetu je okrog 50 % • Poglavitni vzrok želodčne razjede ter raka na želodcu • 7 milijonov obolelih vsako leto, >600,000 žrtev, v Sloveniji >400 primerov želodčnega raka letno • Na voljo še ni učinkovitega cepiva
- 45. Izogibanje imunskega sistema H. pylori E. coli Flagelin TLR5 Flagelin Aktivacija celice: TLR5 ne •kemokini prepozna •citokini flagelina •interferon... NFκB H. pylori P50/52
- 46. Himerni flagelin E. coli FliC Himerni flagelin pylori FlaA H. Antigene lastnosti, Aktivacija prirojene imunosti protitelesa, T- celični odziv Brez aktivacije
- 47. Sestava sintetičnega cepiva prirojen imunski odziv pridobljen imunski odziv (proti antigenom H.pylori) Variabilna domena Aktivacija prirojene flagelina H. imunosti (TLR5) pylori proteinski antigeni (aktivacija adaptivne H. pylori antigen imunosti) (npr. UreB)
- 48. Priprava treh oblik cepiva Proteinsko cepivo Modificirane bakterije DNK cepivo CMV ss HF CMV-HF-UreB.. Antigen
- 49. DNK cepivo himerni flagelin- H. pylori antigen Celični in humoralni DNK imunski odziv cepivo TLR5 activation NFκB P50/52 Prezentacija antigena, aktivacija Tkivo citokinov, ... DC, makrofagi…
- 50. DNK cepivo - rezultati Cell, cotransfected with TLR5 and DNK vaccine Himerni flagelin se mora izločiti, da Transaktivacija TLR5 preko aktivira TLR5. izločenega flagelina sosednjih celic.
- 51. Učinkovitost cepiva in vivo Serum imuniziranih živali 2,5 (MULTI) prepozna žive immunized mice bakterije 2 3 tedni! IgG (OD 450 nm) 1,5 1 Relative flourescence intensity 0,5 neg. kontrola Sekundarna protitelesa na 0 H. pylori 62,5 250 1000 4000 16000 redčitve HF-serum na H. pylori Relative flourescence intensity Močna imunoreaktivnost seruma imuniziranih miši (HF-MULTI).
- 54. [Nanomateriali] Nanomateriali imajo številne prednosti. Večinoma so pripravljeni iz anorganskih ali organskih materialov enega tipa – relativno enostavne strukture. Biološki sistemi so nanosistemi, ki dejansko delujejo ! Ali znamo sestaviti nove nanostroje in nanostrukture ?
- 55. [kontrola sestavljanja struktur iz DNK] S pomočjo parjenja baz lahko kontrolirano povezujemo verige DNK
- 56. [geometrijski liki iz DNK] Rothemund, Nature 2006 He et al., Nature 2008, ChemComun 2006
- 57. [bolj kompleksne sestavljene strukture]
- 58. [Nano zemljevid Slovenije iz DNK] Sestavljen iz 7249 nt dolgega DNK genoma bakteriofaga M13 ter 227 sintetičnih oligonukleotidov 100 nm Miha Jerala, Gimnazija Vič Iva Hafner Bratkovič, KI
- 59. [primerjava DNK in polipeptidov kot gradnikov nanostruktur] DNK polipeptidi vsebuje 4 nukleotide s podobnimi vsebujejo 20 AK z različnimi lastnostmi - kemijskimi lastnostmi + se lahko zvije v določene 3D se lahko zvijejo v določene 3D strukture +/- strukture + v naravi shranjuje informacije v naravi gradijo strukture in - funkcionalne “naprave” + lahko se programira (W-C bazni informacija kodira strukturo na pari) kompleksen način - + intro
- 60. [obvite polipeptidne vijačnice kot gradniki] obvite vijačnice s paralelno ali antiparalelno orientacijo stabilnost in specifičnost parjenja – izbrani AK ostanki na določenih mestih ponovitev heptad = dva zavoja vijačnice 1 nm/heptado
- 61. [interakcije: načrtovanje stabilnosti obvitih vijačnic] Stabilizira: Destabilizira: hidrofobni AK ostanki na ostanki polarnih AK (Asn) na mestih a in d – tvorba jedra mestih a ali d nasprotni naboji na mestih enak naboj na mestih e in g e in g Mesta b, c in f: poljuben izbor aminokislin – uvedemo želene funkcije
- 62. [kaj lahko sestavimo z obvitimi vijačnicami? ] Z uporabo peptidov, sestavljenih iz dveh vrst komplementarnih vijačnic, lahko sestavimo le linearne strukture: tvorba fibril.
- 63. [uporaba treh segmentov namesto dveh ] Za tvorbo 2D ali 3D struktur potrebujemo vsaj 3 različne, med seboj komplementarne vijačne segmente.
- 64. [kombinacija oligomerizacijske domene in obvite vijačnice] oligomerizacijska gradnik: domena (≥3) + segment, ki tvori antiparalelno obvito vijačnico p53 tetramerizacijska domena segment, ki tvori mreža s porami , antiparalelno definiranimi z dolžino in obvito vijačnico lastnostmi segmenta, ki tvori obvito vijačnico
- 66. [sestavljanje proteinske mreže] Pore: velikost pore določa dolžina segmenta, ki tvori obvito vijačnico kemijske lastnosti pore določajo AK ostanki na povšini obvite vijačnice
- 67. [sestavljanje proteinske mreže] Pore: velikost pore določa dolžina segmenta, ki tvori obvito vijačnico kemijske lastnosti pore določajo ak ostanki na povšini obvite vijačnice
- 68. [ultrafiltracija čez polipeptidno membrano] Odstranjevanje virusov: Only 0.22um PVDF 0.22um PVDF Filter Filter with protein membrane PVDF filter PVDF filter Protein with 0.22 with 0.22 membrane um pores um pores Možnosti uporabe: naprave za filtracijo in ločevanje, kataliza.
- 69. [gradniki za tvorbo 2D in 3D struktur] Samosestavljanje: 1 paralno homodimerni in 2 heterodimerna segmenta a b a’ a a’ + heterodimer b 2x homodimer
- 70. [kako sestaviti kocko iz ene vrste polipeptidov?] a b a’
- 71. [samosestavljanje v heksagonalno mrežo – gradniki so enaki kot pri kocki] a b a’
- 72. [druge kombinacije: segmenti iz treh ali več obvitih vijačnic] Primer: trije homodimeri se lahko zvijejo v tetraeder, kocko ali planarno mrežo A B C C – antiparalelni homodimeri iz obvitih vijačnic: segment C-C B– antiparalelni homodimeri iz obvitih vijačnic: segment B-B A – antiparalelni homodimeri iz obvitih vijačnic: segment A-A
- 73. [eksperimentalni rezultati] Le pari heterodimernih vijačnih segmentov lahko tvorijo obvite vijačnice. 140 K2: 120 P1 100 P2 P1+P2 P1 GCN P2 80 Ellipticity (mdeg) 60 40 20 0 -20 10 -40 -60 5 Ellipticity (mdeg) 190 200 210 220 230 240 250 260 Wavelength (nm) 0 -5 -10 P1 P2 200 210 220 230 240 250 260 Wavelength (nm) P1-P2 heterodimer
- 74. [samosestavljiva polipeptidna mreža] rezultat !!! napoved Posnetek TEM: samosestavljen K2
- 75. [nanokocka sestavljena iz peptidov] Posnetek TEM: samosestavljena struktura iz peptida K2 pri nizki koncentraciji To je prvi primer mrež ali 3D struktur, zgrajenih na osnovi obvitih vijačnic!
- 76. Ozka grla SB Orodja Bolj zmogljiva kemijska sinteza (rezvoj 2.generacije DNK sintetizatorjev) Modularnost, standardizacija Avtomatizacija sestavljanja genomov (laboratorij na čipu) Razumevanje osnov delovanja bioloških sistemov Razumevanje celice kot kompleksnega sistema (sistemska biologija) Razumevanje zvitja proteinov in njihovih interakcij
- 77. Prihodnost sintezne biologije • Aplikacije v bližnji prihodnosti – obnovljivi viri energije – napredni (nano)biomateriali – medicinske aplikacije – industrijska biosinteza • Raziskave bioloških sistemov s sintezno biologijo – Sinteza celotnih genomov bakterij in njihova aktivacija – Identifikacija minimalnega genoma – de novo programiranje genoma
- 78. [think outside the box !] Škatla je šele začetek... Meje potencialov uporabe sintezne biologije v nanotehnologiji postavljajo samo naše razumevanje naravnih principov in ustvarjalnost. Σ
- 79. Nominacija Team Slovenija za World Technology Award Pretekli dobitniki: Craig Venter, Sir John Sulston, Tim Berners Lee, Mark Zuckerberg, Michael Graetzel, Burt Rutan, Google, Sony, Genentech, IBM, Space-X, Weizmanov inštitut…
- 80. Ekipe 2006-2009 2006 2007 2008 2008 Monika Ciglič, BF Marko Bitenc, BF Eva Čeh, BF Sabina Božič, FKKT Ota Fekonja, BF Peter Cimermančič, FKKT Vid Kočar, FKKT Nika Debeljak, BF Jernej Kovač, FKKT Rok Gaber, BF Katja Kolar, FKKT Tibor Doles, BF Alja Oblak, BF Saša Jereb , FKKT Ana Lasič, MF Urška Jelerčič;FMF Jelka Pohar, BF Katja Kolar, FKKT Jan Lonzarić, FKKT Anja Lukan, FKKT Matej Skočaj, BF Anja Korenčič, FKKT Jerneja Mori, BF Špela Miklavič, BF Rok Tkavc, BF Andrej Ondračka, FKKT Anže Smole, BF Marko Verce, BF Mentorji Mojca Benčina (KI), Monika Ciglič (KI), Karolina Ivičak (KI), Nina Pirher (KI), Gabriela Panter (KI), Mateja Manček Keber (KI), Marko Dolinar(FKKT), Simon Horvat (BF), Roman Jerala (KI, FKKT)