Academia Română Institutul de Chimie Macromoleculară „Petru Poni” din Iaşi

Academia RomânăInstitutul de Chimie Macromoleculară „Petru Poni” din Iaşi

Biologically inspired systems for engineered structural and functional entities

24 aprilie 2023 2

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028

Proiectul PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028Înscris în competiţia IDEI COMPLEXE – 2011 şi evaluat în cadrul a trei subdomenii distincte:

D.1. - Ştiinţele vieţii,- subdomeniul LS9 - Ştiinţele aplicate ale vieţii şi biotehnologii,

- sfera ştiinţifică a Biomimeticii;D.2. – Ştiinţe aplicative şi inginerie,

- subdomeniul PE5 – Materiale şi Sinteză,- sfera ştiinţifică a Chimiei compuşilor macromoleculari;

- subdomeniul PE4 – Chimie fizică şi analitică,- sfera ştiinţifică a Nanochimiei.

Proiect cu caracter accentuat interdisciplinar, circumscris următoarelor sfere ştiinţifice :LS9_10 - Biomimetică ;PE5_20 - Chimia compuşilor macromoleculari ;PE4_2 - Nanochimie .

24 aprilie 2023 3

Obiectivul de fundal al proiectului

Racordarea la domeniile actuale de interes în ştiinţele aplicate, cu precădere la cele asociate ştiinţelor vieţii, prin constituirea unor colective performante, cu reale şanse de a abordatematici interdisciplinare în sfere ştiinţifice de vârf, capabile să atingă rapid nivelul europeande performanţă.

Ţintele generale - Conceperea şi realizarea unor studii fundamentale şi aplicative asociate sferei biomimeticii.

- Proiectarea, generarea şi caracterizarea unor entităţi nano- şi micro-structurate, active drept „unelte” în tehnicile de reprogramare şi terapie genică, precum şi în ingineria tisulară.

- Înregimentarea în eforturile de tratare şi eradicare a disfuncţiilor de origine genetică şi a celor incidentale, eforturi aliniate iniţiativelor de creştere a calităţii vieţii, cu cert impact social.


24 aprilie 2023 4

Obiectivul pragmatic al proiectului

Dezvoltarea unor noi tipuri de entităţi biomimetice, active în vehicularea informaţiei genetice.

Obiectivul ştiinţific Proiectarea, obţinerea şi testarea preliminară în regim ex-vivo a unor entităţi funcţionalecaracterizate prin: - dimensiuni şi conformaţii apte asocierii cu tronsoane de ADN, în condiţii non-inactivante; - solubilitate în mediu apos, atât individual, cât şi în asociere cu tronsoanele de ADN; - stabilitate compoziţională şi conformaţională în mediul tisular şi intracelular; - abilitatea de a străpunge membrana celulară fără destructurarea asocierii cu ADN-ul; - rezistenţă la agresiunile enzimatice din mediul intracelular; - trasabilitate fluorimetrică per se şi în asociere cu tronsoane de ADN; - posibilitatea de determinare cantitativă extra- şi intra-celulară, prin tehnici non-invazive; - destructibilitate extra- şi intra-celulară în regim controlat, fără generarea de debriuri cito- toxice, imunogene ori sistemic adverse.


Obiectivul ştiinţific abreviat: Realizarea de vectori genetici non-virali.

24 aprilie 2023 5


Obiectivul operaţional al proiectului

Realizarea şi testarea preliminară a unui cargo-complex cu structură şi funcţionalitate deinspiraţie biologică, proiectat ca vehiculant al informaţiei genetice, astfel încât să:

- chemo-mimeze histonele, legând stabil dar reversibil tronsoane de ADN;- morfo-mimeze nucleozomul prin abilitatea de a împacheta tronosane de ADN cu capacităţi de codificare a informaţiei genetice de ordinul a 2 5 kilobaze azotate;- bio-mimeze vectorii virali, prin abilitatea de a penetra membrama celulară şi de a trafica

intracitoplasmatic informaţia genetică în condiţii de asigurare a integrităţii;- confere abilitatea de transfecţie unui surogat de ţesut, în regim de matrice genetic-activă cu operare ex-vivo, în scopul reprogramării celulelor pentru o evoluţie organo-tipică.

Caracterul de noutate al proiectului Constă în abordarea în manieră inginerească a realizării cargo-complexului, în etape succesivede proiectare compoziţională, structurală şi conformaţională, urmate de testarea abilităţii de asociere cu tronsoanele de ADN şi de traficare intactă a acestora la nivel extra- şi intra-celular.

24 aprilie 2023 6


Entităţile ţintă ale proiectuluiStructurile supramoleculare naturale unitare ce funcţionează drept vehiculanţi ai ADN-ului,numite nucleozomi şi alcătuite din miezuri proteice cu structură şi conformaţie stabilă.

Unitate nucleozomală

Miezul proteic,format din histone(proteine bazice,policationice la

pH-ul intracelular)

Substituirea unităţii nucleozomaleprintr-o entitate de sinteză

Complecşi supramoleculari policationici,obţinuţi prin conjugarea unor lanţuri polimerice

la unul sau mai multe centre de tip fullerenic.Exemplu: Catenele de PEG arginilate [–(O – CH2 – CH2)n – COO – Arg]

cu şase unităţi etilen-oxidice (n = 6) asigură edificii stabilecu diametrul echivalent de 6,2 nm, similare histonelor.

24 aprilie 2023 7


Octamerul histonic – Obiectivul chemomimării …

Unitate nucleozomală

Histonele sunt agregate proteicesupramoleculare alcătuite din

opt unităţi (şase structuraleşi două cu rol de reţinere sterică

a ADN-ului).

Unităţile structurale suntputernic alcaline, pentru a legaionic ADN-ul, anionic datorităgrupărilor fosfat.

24 aprilie 2023 8


Înlănţuirea nucleozomală – Obiectivul morfomimării …Prin înlănţuire, unităţile nucleozomale asigură împachetarea

densă a ADN-ului în spaţii reduse, într-un raport dimensional de 1 : 10.000.000.

O catenă de ADN cu lungimea de 1,8 metri este astfel masată

până la o lungime de 90 de microni (0.09 mm), împachetatăîntr-un volum de 2 microni cubi (0,002 mm3).

Împachetarea este consecinţa asocierii electrostatice intense între histone şi ADN.

Înlănţuirea este rezultatul orientării sterice rigide a capetelortronsoanelor de ADN bobinate pe un agregat nucleozomic.

24 aprilie 2023 9


Funcţionalitatea virală – Obiectivul biomimării …Din punct de vedere funcţional, un virus este un transportoral informaţiei genetice.În termenii ingineriei genetice, virusul este un cargo-complex,capabil să împacheteze, să încapsuleze, să vehiculeze şi sătransfere acizi nucleici, în condiţii de nealterare compoziţionalăşi conformaţională.

Pentru a funcţiona drept cargo-complecşi, virusurile au în componenţăansambluri macromoleculare structurate, ce conţin domenii cureactivitate redusă ori controlabilăşi conformaţie stabilă.

Virusurile dispun de o multitudine de structuri molecularecare le permit „navigarea” prin ţesuturi şi prin fluideleorganismelor, „andocarea” la suprafaţa membranelor

celulare, străpungerea acestora, „traficarea”intracitoplasmatică, „andocarea” la mambrana

nucleară şi „largarea” conţinutului de acizi nucleici în citoplasmă sau

prin porii membranei nucleare.

24 aprilie 2023 10


Cargo-complecşii unitari – „Unelte” destinate manipulării genice ... Pentru a livra tronsoane intacte de ADN,cargo-complexul „încărcat” trebuie să strâbatănealterat cinci bariere extra- şi intra-celulare: - ambientul extracelular organotipic; - membrana celulară a celulelor organotipice; - ambientul endocitotic şi lizozomal; - sistemul direcţional al porilor membranei nucleare; - ambientul aglomerat al cromatinei.

Penetrarea membranei celulare şi rezistenţa faţăde atacul enzimelor intracelulare sunt factorii cu celmai sever impact asupra funcţionalităţii cargo-complexului, ce trebuie avuţi în vedere la proiectarea compoziţională a acestuia.

Tractabilitatea în câmp magnetic şi trasabilitateafluorimetrică sunt opţiuni importante şi ele înetapa de proiectare a cargo-complexului.

Structura cvasi-sferoidală a cargo-complexului ţintă,cu trei sfere concentrice, distinct funcţionale :

- sfera internă, ce asigură morfologia cargo-complexului şi asocierea cu tronsoanele de ADN;- sfera mediană, ce asigură compactarea ADN-ului legat şi capacitatea de încărcare;- sfera externă, ce asigură abilităţile de transfecţie, trasare şi anturare.

24 aprilie 2023 11


Morfologia preconizată a cargo-complexului ...

Scara relativă 1 : 3(micşorată de trei ori)

Unitatea nucleozomală nativă

Scara relativă 1 : 1

Substitutul de sintezăal unitatăţii nucleozomale

„Miez” cationic

„Braţe”amfifilice

semirigide

Necesitatea de a reproduceetapizat: reactivitatea, morfologiaşi funcţionalitatea octameruluihistonic.

„Miezul” cationic împachetează ADN-ul.„Braţele” amfifilice dirijează „bobinarea”ADN-ului şi înlănţuirea unităţilor.

24 aprilie 2023 12


Unităţile de proiectare şi construcţie moleculară ...

... cationice; ... amfifilice;

... active prin legături de hidrogen;

... zwitterionice, cu edificii spaţiale modelabile;

(Posibilitatea de a genera biblioteci de unităţi morfo-structurale, pe principiile chimiei combinatoriale.)

24 aprilie 2023 13


De ce structuri bazate pe derivaţi ai fullerenei C60 ... ?

1. Deoarece fullerena C60 are dimensiuni individuale de acelaşi ordin de mărime cu cel al catenelor oligo- şi macro-moleculare cu tendinţă de autoasamblare.

2. Deoarece fullerenele pot fi funcţionalizate în poziţii sterice bine definite, permiţând proiectarea spaţialităţii conjugatelor, concomitent cu proiectarea reactivităţii locale la scurtă distanţă.

3. Datorită înaltei versatilităţi în chimia fullerenelor. (Posibilităţile de marcare şi de anturare chimică nuanţate.)

24 aprilie 2023 14


Problemsolving levels

Biomimesis

Chemomimesis Morphomimesis

Pragmatic objectives Pragmatic objectives

Pragmatic objectives

C.PO.2. – Reactive polymer and dendrimer synthesis

C.PO.1. – Specific fullerene functionalization

C.PO.4. – Traceability ensuring by fluorescent labeling

C.PO.3. – Insertion of membrane penetratingand cell recognition domains

M.PO.2. – Three-dimmensional tailoring,by controlled aggregation

M.PO.1. – Spatial shape definition,by conjugation reactions

M.PO.4. – Assembling with mineralization salts and reinforcing macromolecules

M.PO.3. – Positional association of magnetic tracking and clustering / trapping promoter sites

B.PO.2. – Certification of DNA packaging capacity (expressed in kilobases)

B.PO.4. – Testing the entities traceabilityin cell culture and inside cells

2

3

B.PO.3. – Testing the integrity of associatedDNA and its stability in cell culture milieu

B.PO.1. – Testing the DNA binding ability

- (i) Design- (ii) Synthesis

- (iii) Inducing- (iv) Assessing

- (v) Testing- (vi) Certification

- (vii) Preparing for gene traficking tests- (viii) Biomimiking ability final evaluation

1

Building blocksobtaining

Building blocksusing

Building blocksvalorization

Proiectul este conceput ca bazându-sepe trei piloni: (i) - centrarea pe aplicaţiile fulerenelor funcţionalizate; (ii) - atribuirea şi testarea în etape logic înlănţuite a nivelurilor de mimare; (iii) - asigurarea funcţionalităţii cargo-complexului drept „unealtă” pentru aplicaţii de reprogramare şi terapie genică.

24 aprilie 2023 15


Consorţiul instituţiilor participantea fost construit pentru a asiguracomplementaritatea în celepatru domenii aplicativepe care proiectul le implică.

Domeniul ţintă

24 aprilie 2023 16


Consorţiul instituţiilor participantea fost construit pentru a asiguracomplementaritatea în celepatru domenii aplicativepe care proiectul le implică.

Componenţa consorţiului:- Institutul de Chimie Macromoleculară „Petru Poni” din Iaşi- Institutul de Biologie şi Patologie Celulară „Nicolae Simionescu” din Bucureşti- Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi- Centrul de Chimie Organică „Costin D. Neniţescu” din Bucureşti

Trei institute ale Academiei Române şi o universitate.Acronimele instituţiilor participante: - ICMPP - IBPC - TUIASI - CCO

24 aprilie 2023 17


StructurăCo, P1, P2, P3, P5

Abordări teoretice

FuncţionalitateCo, P3, P4, P5

ReactivitateCo, P1, P2

Proiectarea cargo-complexului şi modelarea componentelor acestuia

Proiectarea şi documentarea căilor de sinteză

Substrat: P5Conjugare: P2Fullerene: Co

“ In silico …”

Abordări experimentale

Chemo-mimarea histonelor

TrasabilitateCo, P3, P4

Derivaţi ai fullereneiCo

Fullerenoizi / polimeriP2

Domenii biotipiceP3, P4, P5

Morfo-mimarea nucleozomului

(Bio)ConjugareCo, P2

SupramolecularitateCo, P2, P3, P5, P6

Bio-mimarea vectorilor genetici

Capacitate transportCo, P2, P3, P5, P6

Asociere la substratCo, P2, P3, P5

Capacitate legareCo, P2, P3, P4, P5

Abilitate împachetareCo, P2, P3, P4, P5

StabilitateCo, P2, P3, P4, P5

TrasabilitateCo, P2, P3, P4, P6

“ On the bench …”

Abilitatea de transfecţie a surogatului de calus

Abilitate asociereP3, P4, P5

StabilitateCo, P3, P4, P5, P6

TrasabilitateCo, P3, P4, P5, P6

TransfecţieP3, P4, P5

Abordări inginereşti (Opţionale !)

Posibilităţi de scaling-up

Schiţe de know-how

Sinteză chimicăCo, P2, P3, P5

Testare amplăCo, P3, P4, P5

DocumentaţieCo, P1, P2, P3, P5

Brevetare Co, P3, P5

Sinopticul partajăriisarcinilor în cadrulconsorţiului

Neprevăzute în mod expresîn proiect.

Trei obiective privind mimarea.32 task-uri pentru atingereaobiectivelor.

24 aprilie 2023 18


Cod

Echipele şi afilierea acestora

Liderul Sarcini asumate

Co Colectivul NANOBIOCONJUGATEal ICMPP

Dr. Mariana PINTEALĂ

Sinteze cu fulerenefuncţionalizate.

P1 Colectivul PROIECTARE MOLECULARĂal ICMPP

Acad. Bogdan C. SIMIONESCU

Modelare molecularăin silico.

P2 Colectivul SISTEME CU AUTOASAMBLAREal ICMPP

Dr. Mihail BĂRBOIU

Generare de structurisupramoleculare.

P3 Colectivul FIZICO-CHIMIA BIOSISTEMELORal ICMPP

Dr. Adrian SALIC

Sisteme (bio)polimerefuncţionale biochimic.

P4 Colectivul BIOLOGIE MOLECULARĂal IBPC

Acad. Maya SIMIONESCU

Lucrul cu acizi nucleici(in vitro şi ex vivo)

P5 Colectivul INGINERIE TISULARĂal TUIASI

Prof. dr. ing. Geta DAVID

Substituenţi ai matricei extracelulare.

P6 Colectivul SINTEZĂ ORGANICĂal CCO

Dr. Florina DUMITRU

Caracterizare fizico-chimică avansată.

Partajarea sarcinilor asumate în cadrul consorţiului

24 aprilie 2023 19


Distribuirea în timp a sarcinilor în cadrul consorţiului

DiagramaGantt

- Derularea în paralel a activităţilor.- Distribuirea corelată a sarcinilor.- Poziţionarea în timp a etapelor de evaluare şi reconfigurare a derulării activităţilor în cadrul proiectului.

24 aprilie 2023 20


Implicarea colectivelor exprimată în ponderi ale activităţiicategoriilor de personal (om · lună)

6,1 %29,7 % 33,7 % 27 % 1,4 % 2,1 %

Seniori Experimentaţi Postdoctoranzi Doctoranzi Masteranzi Administraţie ParteneriCo 36 20 86 50 18 210P1 30 80 20 130P2 36 32 50 118P3 36 37 70 143P4 15 15 35 65P5 72 34 10 12 12 140P6 36 36 72Total 261 54 296 237 12 18 878

SenioriExperimentaţiPostdoctoranziDoctoranziMasteranziAdministraţie

Co

P6

60,84 % tineri 0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Co P1 P2 P3 P4 P5 P6 Total

24 aprilie 2023 21


Implicarea colectivelor exprimată în echivalent norme întregi

Echipa proiectului include doi cercetătoride marcă din diaspora românească: - Dr. Mihail Bărboiu (CNRS, Franţa) - Dr. Adrian Salic (Harvard, USA)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5Co

P1

P2

P3P4

P5

P6

Seniori

Experimentaţi

Postdoctoranzi

Doctoranzi

Masteranzi

Administraţie

Seniori Experimentaţi Postdoctoranzi Doctoranzi Masteranzi Administraţie ParteneriCo 1 0.6 2.4 1.4 0.6 6P1 0.8 2.2 0.6 3.6P2 1 0.9 1.4 3.3P3 1 1 1.9 3.9P4 0.4 0.4 0.9 1.7P5 2 1 0.3 0.3 0.3 3.9P6 1 1 2Total 7.2 1.6 8.2 6.5 0.3 0.6 24.4

24 aprilie 2023 22


Angajamentul privind diseminarea şi publicarea rezultatelor

Anul Articole ISI

Brevete Conferinţe

2012 4 12013 6 1 22014 9 32015 6 1 1Total 25 2 7

Rezultate ştiinţifice asumate prin proiect

- Cel puţin 5 dintre lucrările ISI vor fi realizateprin colaborare internaţională.- Conferinţele vor fi susţinute în plen, în cadrulunor evenimente cu participare internaţională.- Cel puţin 12 dintre sarcinile de diseminarevor fi asigurate de către tinerii cercetători.

Diseminarea rezultatelor activităţiiîn cadrul proiectului se va realiza prin:

- pagina WEB; - workshop – uri de lansare, anuale şi de finalizare a proiectului; - manifestările curente ale instituţiilor participante în proiect; - workshop-uri organizate în comun cu instituţii şi companii ce activează în domeniul ştiinţelor viului şi al practicii analitice; - cursuri şi stagii de pregătire a tinerilor masteranzi şi doctoranzi; - participări semnificative la manifestări ştiinţifice şi academice internaţionale.

24 aprilie 2023 23


Performanţele şi experienţa managerială instituţiei coordonatoarea proiectului www.intelcentru.ro

Institutul de Chimie Macromoleculară „Petru Poni” din Iaşi, institut al Academiei Române,posedă o bogată experienţă în derularea proiectelor şi a programelor de cercetare.Demne de remarcat sunt rezultatele activităţii din decursul anului 2011, când: - au fost publicate 263 lucrări ştiinţifice în periodice cotate ISI; - au fost înregistrate 292 participări la manifestări ştiinţifice internaţionale; - a fost finalizat Centrul de Cercetări Avansate pentru Bionanoconjugate şi Biopolimeri, printr-un proiect cofinanţat de Uniunea Europeană în valoare de 15.658.593 lei, care cuprinde în structura sa trei divizii (Sinteză chimică şi biosinteză, Analiză instru- mentală şi imagistică ştiinţifică, Inginerie tisulară şi vectori genetici non-virali) şi un laborator independent (Modelare chimică şi Bioinformatică); directorul proiectului, Dr. Mariana Pinteală.

În perioada ultimilor trei ani încheiaţi (2009 2011), institutul a derulat: - proiectul FP7-REGPOT-2010-1 – STREAM (Strengthening the Romanian Research Capacity in Multifunctional Polymeric Materials), în calitate de coordonator; valoarea încasată 2.800.000 Euro; - Programul de Burse Post-doctorale European Social Fund "Cristofor I. Simionescu“, POS-DRU, Axa prioritară 1; valoarea încasată 5.000.000 Euro; - proiecte finantate prin programul POS-CCE în valoare de 1.600.000 Euro.

24 aprilie 2023 24


Anvergura ştiinţifică a conducătorilor echipelor proiectului

Calitateaîn cadrul

proiectuluiNumele şi prenumele

IndiceHirsch(media 17,5)

Activitate semnificativăîn tematica proiectului

Director proiect

Dr. Pinteală Mariana 10 61 articole5 capitole carte15 conferinţe invitate9 proiecte, în calitate de director

Responsabil P1

Acad. Simionescu C. Bogdan

19 310 articole58 conferinţe invitate

Responsabil P2

Dr. Bărboiu Mihail 24 10 monografii; articole înScience, JACS, Angew. Chem.

Responsabil P3

Dr. Salic Adrian 18 Articole în revistele Cell şi NatureChem. Biol.; brevete aplicate

Responsabil P4

Acad. Simionescu Maya 39 Evaluator NSF(National Science Fundation)

Responsabil P5

Prof. dr. ing. David Geta 8 102 articole30 coferinţe invitate

Responsabil P6

Dr. Dumitru Florina 4 Articole publicate în Chemical Communications

Între conducătorii echipelor există deja colaborări îndelungate, soldate cu lucrări ştiinţificeşi proiecte comune de cercetare.

Academia Română Institutul de Chimie Macromoleculară „Petru Poni” din Iaşi

Documents

Transcript of Academia Română Institutul de Chimie Macromoleculară „Petru Poni” din Iaşi