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

Academia Română Institutul de Chimie Macromoleculară „Petru Poni” din Iaşi Proiectul PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028Sisteme de inspiraţie biologicăpentru entităţi proiectate structural şi funcţional Biologically inspired systems for engineered structural and functional entities

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 competiţia ... Proiectul PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Înscris 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 .

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 aborda tematici interdisciplinare în sfere ştiinţifice de vârf, capabile să atingă rapid nivelul european de 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. PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Proiectul ...

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 funcţionale caracterizate 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. PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Proiectul ... Obiectivul ştiinţific abreviat: Realizarea de vectori genetici non-virali.

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Obiectivul operaţional al proiectului Realizarea şi testarea preliminară a unui cargo-complex cu structură şi funcţionalitate de inspiraţie 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 succesive de 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. Proiectul ...

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Entităţile Biomimate ... Entităţile ţintă ale proiectului Structurile supramoleculare naturale unitare ce funcţionează drept vehiculanţi ai ADN-ului, numite nucleozomi şi alcătuite din miezuri proteice cu structură şi conformaţie stabilă. Miezul proteic, format din histone (proteine bazice, policationice la pH-ul intracelular) Substituirea unităţii nucleozomale printr-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 stabile cu diametrul echivalent de 6,2 nm, similare histonelor. Unitate nucleozomală

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Entităţile Biomimate ... Octamerul histonic – Obiectivul chemomimării … Histonele sunt agregate proteice supramoleculare alcătuite din opt unităţi (şase structurale şi două cu rol de reţinere sterică a ADN-ului). Unităţile structurale sunt puternic alcaline, pentru a lega ionic ADN-ul, anionic datorită grupărilor fosfat. Unitate nucleozomală

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Entităţile Biomimate ... Înlănţuirea nucleozomală – Obiectivulmorfomimării … 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), împachetată într-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 capetelor tronsoanelor de ADN bobinate pe un agregat nucleozomic.

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Entităţile Biomimate ... Funcţionalitatea virală – Obiectivulbiomimării … Din punct de vedere funcţional, un virus este un transportor al informaţiei genetice. În termenii ingineriei genetice, virusul este un cargo-complex, capabil să împacheteze, să încapsuleze, să vehiculeze şi să transfere acizi nucleici, în condiţii de nealterare compoziţională şi conformaţională. Pentru a funcţiona drept cargo-complecşi, virusurile au în componenţă ansambluri macromoleculare structurate, ce conţin domenii cu reactivitate redusă ori controlabilă şi conformaţie stabilă. Virusurile dispun de o multitudine de structuri moleculare care le permit „navigarea” prin ţesuturi şi prin fluidele organismelor, „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.

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Entităţile Biomimetice Vizate ... Cargo-complecşii unitari – „Unelte” destinate manipulării genice ... Pentru a livra tronsoane intacte de ADN, cargo-complexul „încărcat” trebuie să strâbată nealterat 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 faţă de atacul enzimelor intracelulare sunt factorii cu cel mai sever impact asupra funcţionalităţii cargo- complexului, ce trebuie avuţi în vedere la proiectarea compoziţională a acestuia. Tractabilitatea în câmp magnetic şi trasabilitatea fluorimetrică sunt opţiuni importante şi ele în etapa 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.

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Entităţile Biomimetice VIZATE ... Morfologia preconizată a cargo-complexului ... Necesitatea de a reproduce etapizat: reactivitatea, morfologia şi funcţionalitatea octamerului histonic. „Miezul” cationic împachetează ADN-ul. „Braţele” amfifilice dirijează „bobinarea” ADN-ului şi înlănţuirea unităţilor. „Braţe” amfifilice semirigide „Miez” cationic Scara relativă 1 : 3 (micşorată de trei ori) Substitutul de sinteză al unitatăţii nucleozomale Scara relativă 1 : 1 Unitatea nucleozomală nativă

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Entităţile Biomimetice VIZATE ... Unităţile de proiectare şi construcţie moleculară ... (Posibilitatea de a genera biblioteci de unităţi morfo-structurale, pe principiile chimiei combinatoriale.) ... cationice; ... amfifilice; ... active prin legături de hidrogen; ... zwitterionice, cu edificii spaţiale modelabile;

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Entităţile Biomimetice vizate ... 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.)

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Filosofia Proiectului ... Proiectul este conceput ca bazându-se pe 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.

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Consorţiul ... Consorţiul instituţiilor participante a fost construit pentru a asigura complementaritatea în cele patru domenii aplicative pe care proiectul le implică. Domeniul ţintă Proiectare moleculară „in silico”

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Consorţiul ... Consorţiul instituţiilor participante a fost construit pentru a asigura complementaritatea în cele patru domenii aplicative pe 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

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Consorţiul ... Sinopticul partajării sarcinilor în cadrul consorţiului Trei obiective privind mimarea. 32 task-uri pentru atingerea obiectivelor. Neprevăzute în mod expres în proiect.

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Echipele membre ale Consorţiul ... Partajarea sarcinilor asumateîn cadrul consorţiului

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 IMPLICAREA Echipelor membre ale ConsorţiulUI ... Distribuirea în timp a sarcinilor în cadrul consorţiului - Derularea în paralel a activităţilor. - Distribuirea corelată a sarcinilor. - Poziţionarea în timp a etapelor de evaluare şi reconfigurare a derulării activităţilor în cadrul proiectului. Diagrama Gantt

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 IMPLICAREA Echipelor membre ale ConsorţiulUI ... Implicarea colectivelor exprimată în ponderi ale activităţii categoriilor de personal (om · lună) 29,7 % 6,1 % 33,7 % 27 % 1,4 % 2,1 % P6 Co 60,84 % tineri

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 IMPLICAREA Echipelor membre ale ConsorţiulUI ... Implicarea colectivelor exprimată în echivalent norme întregi Echipa proiectului include doi cercetători de marcă din diaspora românească: - Dr. Mihail Bărboiu (CNRS, Franţa) - Dr. Adrian Salic (Harvard, USA)

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Potenţialul ştiinţific alProiectului ... Angajamentul privind diseminarea şi publicarea rezultatelor Diseminarea rezultatelor activităţii în 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. Rezultate ştiinţifice asumate prin proiect - Cel puţin 5 dintre lucrările ISI vor fi realizate prin colaborare internaţională. - Conferinţele vor fi susţinute în plen, în cadrul unor evenimente cu participare internaţională. - Cel puţin 12 dintre sarcinile de diseminare vor fi asigurate de către tinerii cercetători.

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Echipa de implementare a Proiectului ... Performanţele şi experienţa managerială instituţiei coordonatoare a 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 MultifunctionalPolymeric 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.

PN-II-ID-PCCE-2011-2-0028 Echipa de implementare a Proiectului ... Anvergura ştiinţifică a conducătorilor echipelor proiectului Între conducătorii echipelor există deja colaborări îndelungate, soldate cu lucrări ştiinţifice şi proiecte comune de cercetare.

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