HU 
RO 
EN Korábbi projektek
Integrált diagnosztikai módszerek fejlesztése a májbetegségek gyors kimutatására
Projektkód: SMIS 119974
Program: Versenyképességi Operatív Program — innovatív technológiai projekt
Futamidő: 27 hónap
Portfóliónkban ez az egyetlen projekt, amelyben a Pro-Vitam volt a konzorcium vezetője. Megalapozta a májbetegségek diagnosztikájára irányuló kutatási irányunkat, amelyet a MULTIHEP, ma pedig a PNTS és a HepBpanVac folytat. A projekt jelenleg a fenntartási időszakában van.
MULTIHEP — Multiplex módszertan bevezetése a hepatitiszvírusok gyors kimutatására
Projektkód: PN-III-P2-2.1-PTE-2019-0226
Finanszírozó: CCCDI-UEFISCDI
Időtartam: 2020 május – 2022 május
A projekt a Pro-Vitam koordinálásával és a Román Akadémia Biokémiai Intézetének partnerségével valósult meg. Multiplex gyorstesztet fejlesztett az anti-HCV, anti-HDV és HBsAg kimutatására betegszérumokból.
DiaScreen — Raman-spektroszkópián alapuló kísérleti demonstrátor a glikált fehérjék mennyiségi meghatározására a cukorbetegség szűrésében
Projektkód: PN-III-P2-2.1-PED-2019-3268
Finanszírozó: CNCS-UEFISCDI
Koordinátor: Babeș-Bolyai Tudományegyetem. A Pro-Vitam partner volt.
A cél olyan hordozható, klinikai laboratóriumban könnyen használható módszer kifejlesztése volt, amely meghatározza a glikált fehérjék (hemoglobin és albumin) mennyiségét a betegmintákban.
Két projekt az Anyagfizikai Nemzeti Kutatás-fejlesztési Intézettel partnerségben
Az első a TSH és EGFR betegmintákból történő kimutatására szolgáló nanoszenzor-prototípusok fejlesztésére irányult, a második az atorvasztatin fizikai-kémiai és antimikrobiális tulajdonságainak vizsgálatára. Az eredményül született publikációk a Publikációk részben találhatók.
Önszerveződő szupramolekuláris motorok és kvázikristályok számítógépes tervezése
A csoport korábbi számítógépes projektjének címe: „Computational design of self-assembling supramolecular motors and quasicrystals”. A projektet a CNCS-UEFISCDI finanszírozta (projektszám: PN-III-P1-1.1-TE-2019-1018), és 2020 szeptemberétől 2022 augusztusáig tartott. Ez a harmadik (és egyben utolsó) „Fiatal Kutatói Csoportok” projektem.
A nanotechnológia az elmúlt évtizedekben életünk szinte minden területét átalakította. Ahogy a kutatók fokozatosan megértették az összetett biológiai folyamatok szerkezeti alapjait, felmerült az igény olyan mesterséges nanoméretű szerkezetek tudatos tervezésére, amelyek e folyamatok egy részét utánozni tudják, vagy molekuláris, illetve szupramolekuláris szinten befolyásolhatják azokat.
A projekt célja olyan új kolloidális építőelem-modellek létrehozása volt, amelyek ezen a mérettartományon funkcionális szerkezetekké képesek önszerveződni. Módosítottuk töltött merev részecskék coarse-grained modelljét, amely csak ionos és kizárt térfogatú taszító kölcsönhatásokat tartalmaz, és amelyet eredetileg csoportunkban fejlesztettünk ki önszerveződő, négyértékű Goldberg-héjakhoz. Abból a megfigyelésből kiindulva, hogy a modellhéjak versengő szerkezetei közötti nagyléptékű kooperatív átrendeződések energiaprofilja valójában igen egyszerű, új kolloidális motorterveket dolgoztunk ki, amelyek a kívülről bevitt energiát irányított forgómozgássá alakítják. A második modell kétdimenziós kvázikristályokat alkotó kolloidális építőelemekre vonatkozik. Az ilyen szerkezetekről feltételezik, hogy rendkívül érdekes optikai tulajdonságokkal rendelkeznek, és számos fotonikai alkalmazásban hasznosíthatók. Kolloidális építőelemekből motorokat vagy kvázikristályokat kísérletileg előállítani rendkívül nehéz. A projektben kifejlesztett számítógépes modellek úgy segíthetik a kísérleteket, hogy megadják azokat a minimális feltételeket, amelyek mellett az építőelemek kolloidális mérettartományban spontán módon funkcionális szerkezeteket alkothatnak.
A csapat tagjai
Horváth István, doktorandusz
Sárosi Menyhárt-Botond, posztdoktori kutató
Fejér Szilárd, projektvezető
A projekt első szakaszában végzett kutatási tevékenységek összefoglalása
- a szimulációs keretrendszer kialakítása HOOMD-Blue és Docker konténerek segítségével;
- a paramétertér feltérképezése kiválasztott egyszerűsített modelleken, viselkedésük jobb megértése érdekében;
- a technikailag jártas olvasók számára: ebben a szakaszban három Docker környezetet alakítottunk ki:
1. A molekuladinamikai környezet:
Elsősorban a HOOMD-Blue könyvtárból és néhány saját szkriptből áll, amelyek a szimulációs paraméterek becslésének és finomításának munkafolyamatát automatizálják, valamint egy Pandasban írt egyszerű adatbázisból, amely minden adatot rögzít. A konténer a beépített Jupyter notebookon keresztül érhető el, amely interaktív Python szkriptelési környezet.
2. A szerkezetoptimalizálási környezet:
Ez a Docker-képfájl a Python 2.7 képfájlra épül, telepítve rá a Pele és néhány további Python csomag, például a NumPy és a SciPy a szükséges számításokhoz, valamint a Pandas az adatkezeléshez. A konténer fő feladata egyszerű molekulaszerkezetek optimalizálása, bemeneti adatok előállítása a gépi tanulási környezet számára, valamint a molekulák energiatájképének vizsgálata.
3. A gépi tanulási környezet:
Ez a konténer a hivatalos Tensorflow-Jupyter képfájlra épül, néhány további csomaggal, amelyek molekulaszerkezetek 3D-s ábrázolását teszik lehetővé. Célja olyan neurális háló létrehozása, amely bemenetként véletlenszerűen generált molekulaszerkezetet kap, és kiindulási szerkezetet jósol az energiaminimalizáláshoz, azzal a céllal, hogy a lokális potenciálisenergia-minimumhoz közeli szerkezetet találjon.
Az első szakasz előzetes előrehaladási jelentése innen tölthető le.
https://szilard.ro/files/scientific_report_2020.pdf
A projekt második szakaszában végzett kutatási tevékenységek összefoglalása
- egyetlen átmeneti állapoton keresztül végbemenő átrendeződések vizsgálata, amelyek kooperatív forgómozgásnak felelnek meg;
- önszerveződő kolloidális motor alapvető felépítésének meghatározása;
- a modell adaptálása explicit oldószerre;
- különböző energiaátadási módszerek vizsgálata kolloidális motorok esetében.
Az alábbi videó egy zárt héj két legalacsonyabb energiájú szerkezete közötti, egyetlen átmeneti állapoton keresztül végbemenő hosszú átrendeződést mutat be:
Az alábbi animáció a rotorlapát tartós forgómozgását mutatja be (kolloidális motor minimálmodellje):
Az alábbi animáció egy lokálisan kvázikristályos rendezettségű réteg összeállását mutatja be:
Hierarchikus önszerveződés
A csoport fő kutatási területe a hierarchikus önszerveződés, és az, hogy az ilyen folyamatok hogyan modellezhetők. Az első, ebben a témában végzett projekt címe „Creating a framework for modelling the hierarchical self-assembly of anisotropic building blocks” volt. A projekt két éve lehetővé tette a kutatócsoport megalapítását, amely mára maga is hierarchikusan növekszik. A projektet az UEFISCDI finanszírozta (projektszám: PN-II-RU-TE-2014-4-1176), és 2015 októberétől 2017 szeptemberéig tartott.
Kivonat:
A hierarchikus önszerveződés a nanotechnológia egyik legígéretesebb eszköze. A biológiai rendszerekben az ilyen folyamatok az evolúció során már tökéletesedtek: kisebb egységekből egymást követően épülnek fel az építőelemek, amelyek azután hierarchikusan nagyobb szerkezetekké szerveződnek (például víruskapszid-fehérjék, keratinszálak, amiloidfibrillumok stb.). Jelenleg a nanoméretű összeszerelődési folyamatok számítógépes modellezése csak coarse-grained módszerekkel lehetséges, amelyeket a rendszer méretének és az adott feladatnak megfelelően választanak meg. A hierarchikus önszerveződés azonban gyakran több mérettartományt érint, és a folyamat minden szintjét másképp kell modellezni: molekulamechanikai erőterekkel a fehérjék feltekeredését, egyesített atomos erőterekkel az oligomerizációt, alakalapú coarse-grained modellekkel (például gyöngymodellekkel) a fehérjeoligomerek egymást követő összeszerelődését. Mindmáig nem létezik olyan keretrendszer, amely e folyamatok mérettartományokon átívelő modellezését támogatná.
A projekt célja az volt, hogy a projektvezetőnek az anizotrop építőelemek merevtest-formalizmusban történő modellezésében szerzett tapasztalatára építve kiterjessze a módszert a különböző mérettartományok közötti szakadék áthidalására. A módszer az építőelemek paramétereinek hierarchikus számítását foglalja magában, amelyeket az alkotórészeik energiatájképének részletes vizsgálatából nyerünk. A megközelítés mérettartománytól független, és lehetővé teszi új, összetett nanoméretű szerkezetek bottom-up tervezését.
A csoport második projektje az elsőre épült, és a „Coordination chemistry on the nanoscale: Computational design of supramolecular building blocks capable of highly specific, orientation-dependent interactions” címet viselte. Ezt a projektet szintén a CNCS-UEFISCDI finanszírozta (projektszám: PN-III-P1-1.1-TE-2016-1279), és 2018 májusától 2020 áprilisáig tartott.
Kivonat
A nano- és mezoméretű építőelemek modern szintézismódszereinek megjelenésével ma már viszonylag egyszerű részecskékbe is összetett önszerveződési viselkedés kódolható. A kísérletezők rendelkezésére álló paramétertér azonban hatalmas: hangolni kell az építőelem anizotrópiáját, a kölcsönhatások anizotrópiáját, hatótávolságát, típusát és így tovább. A számítógépes módszerek értékes betekintést nyújthatnak az ilyen építőelemek tudatos tervezésébe. Az anizotrop kölcsönhatások coarse-grained modellezése a paramétertér azon tartományai felé irányíthatja a kísérleteket, amelyek a kívánt önszerveződött célszerkezet szempontjából lényegesek.
A projekt célja új terület megteremtése volt a nanoméretű építőelemek önszerveződésében, a koordinációs kémia fogalmainak olyan nanorészecskék tervezésére való alkalmazásával, amelyek más nanorészecskékhez rendkívül specifikusan képesek kapcsolódni. Bár a „kolloidális molekulák” fogalma létezik, a kísérleti megvalósítások még gyerekcipőben járnak. Az ilyen építőelemek viselkedésének megértéséhez és a lehető legegyszerűbb modelljeik megalkotásához az energiatájkép-elmélet legkorszerűbb módszereit használtuk és fejlesztettük tovább (globális optimalizálás merevtest-formalizmusban, discrete path sampling és merevtest-molekuladinamika).
Az első szakaszban feltártuk azokat a minimális fizikai feltételeket, amelyek az MnL2n típusú Goldberg-poliéderek nanoméretű analógjaiból álló üreges ketrecek összeállásához szükségesek; ezeket kísérletileg négyzetes síkban koordinált átmenetifém-komplexek és nemlineáris bidentát ligandumok valósítják meg. Megállapítottuk, hogy azonos szimmetriájú ketrecek kizárt térfogatú és Coulomb-kölcsönhatások kombinációjával is előállíthatók, és megvizsgáltuk az üreges héjak kialakulásának dinamikáját, valamint a versengő szerkezetek közötti átmenetet. A második szakasz új, tetraéderes, síkbeli és lineáris koordinációra képes anizotrop nanorészecskék tervezését foglalta magában, amelyek szénhidrogénekhez hasonló mezoméretű szerkezeteket eredményeznek.
Kérdése van?
