Projektid

Projektis uuriti, kuidas aju päritolu neurotroofset tegurit (brain-derived neurotrophic factor, BDNF), mida tavaliselt uuritakse neuronites, reguleeritakse südamerakkudes ja mitteneuronaalsetes ajurakkudes, mida nimetatakse astrotsüütideks. Leidsime signaalid, mis "lülitavad" BDNF-i südamerakkudes sisse, näiteks noradrenaliin (sarnane adrenaliinile), ja uurisime DNA piirkondi, mis aitavad seda lülitit kontrollida. Seejärel keskendusime astrotsüütidele, mis on teatud tüüpi neuroneid toetavad mitteneuronaalsed rakud (üks tüüp nn gliiarakke). Me täheldasime, et kui neuroneid ja astrotsüüte hoitakse koos ja neuroneid aktiveeritakse, reageerivad astrotsüüdid, tootes rohkem BDNF-i. BDNF on aktiivselt uuritud valk, kuna tal on olulised funktsioonid kesknärvisüsteemis ja eriti neuronites. Viimasel ajal on BDNF-i ekspressiooni ja funktsiooni uuritud ka teistes rakutüüpides, mis näitab selle neurotrofiini rollide olemasolu väljaspool neuroneid. Samuti muudab BDNF düsregulatsioon mitmetes patoloogilistes seisundites selle huvitavaks sihtmärgiks terapeutiliste rakenduste jaoks. Käesoleva projekti raames saadud tulemused on seega olulised nii kitsamalt neurotrofiinide kogukonnale kui laiemalt neurobioloogidele ja südameveresoonkonna uurijatele; lisaks annavad need andmed ravistrateegiate kavandamiseks ja rakendamiseks vajalikke põhiteadmisi. Selle projekti eesmärkide saavutamiseks oli vaja kasutusele võtta ja optimeerida erinevaid meetodeid erinevate rakutüüpide kasvatamiseks ja biokeemilisteks eksperimentideks. Projekti tulemusena on need nüüd osa rühma mitmekülgsest tööriistakomplektist ja neid saab rakendada mitme meie uurimisküsimuse lahendamiseks, mida ma isiklikult pean projekti oluliseks tulemuseks. Oluline verstapost ja ja selle stipendiumiga seotud üks peamine saavutus on ka kaasjuhendatud üliõpilase magistritöö edukas kaitsmine.

Töötati välja uued molekulaarselt jäljendatud polümeeridele (MIP) põhinevad sünteetilised retseptorid, ning integreeriti neid erinevate sensorplatvormidega, et luua kiireid, töökindlaid ja kulutõhusaid analüütilisi tööriistu meditsiiniliseks diagnostikaks või keskkonna seisundi jälgimiseks. Valmistati kliiniliselt oluliste valkude või esilekerkivate keskkonna saasteainete suhtes selektiivseid MIP-e ning integreeriti neid kaasaskantavate või mitmekanaliliste muunduritega. Loodud MIP-sensorid olid võimelised 15-20 minutiga kvantitatiivselt määrata analüüti relevantses kontsentratsioonide vahemikus. Näiteks, suutis MIP-sensor tuvastada antibiootikume, nagu sulfametisool ja makroliidid, nanomolaarseid kontsentratsioone vees. Märkimisväärne on neurotroofsete faktorite (BDNF ja CDNF) ning viirusvalkude (HCV-E2, SARS-CoV-2 N ja S1) suhtes selektiivsete MIP retseptorite valmistamine. Tulemused lõid head eeldused patsiendimanuste testide (PoCT) arendamiseks neuroloogiliste häirete ja C-hepatiidi varajaseks diagnoosiks ja jälgimiseks. Üheks silmapaistvamaks väljundiks on MIP-retseptoril põhinev koroonaviiruse kiirtesti prototüüp. Valmistatud sensori üks eeliseid võrdluses laialt kasutatavate koroonaviiruse antigeeni kiirtestidega (külgvoolutestid) on võimekus määrata ka viirusvalgu kontsentratsiooni proovis ning märgatavalt madalam avastamispiir, mis võimaldab varajases staadiumis nakkuse tuvastamist. Kuna MIP-tehnoloogia on kohandatav põhimõtteliselt iga patogeeni tuvastamiseks, aitavad need uuringud kaasa võitlusele uute pandeemiate vastu. Projekti tulemused loovad eeldused oluliselt odavamate, kiiremate ja töökindlate analüütiliste seadmete valmistamiseks, mis sobivad kasutamiseks patsiendimanustena (PoCT) ja välimõõtmisteks sobivate keskkonnasensoritena, pakkudes alternatiivi kallitele ja töömahukatele laborianalüüsi meetoditele.

Tselluloos kui enamlevinud biopolümeer on suure potentsiaaliga plastitööstuse tooraine. Tselluloos ei ole algsel kujul termoplastne, ega töödeldav plastitehnoloogia meetodite abil. Seega on kasutus mitmes laitarbevaldkonnas seni piiratud. Ioonsetes vedelikes toimuvate tselluloosi lahustamisprotsesside avastamine on loonud mitmeid uusi võimalusi selle keemiliseks modifitseerimiseks. Suure potentsiaaliga on ioonsete vedelike keskkonnas sünteesitud pikema süsiniku ahelaga kõrvalrühmasid sisaldavad tselluloosi estrid, mille saamist käesolev projekt uurib. Antud kõrvalrühmad muudavad tselluloosi termoplastseks ja võimaldavad kontrollida selle keemilisi ja füüsikalisi omadusi. Projekti käigus arendatakse välja uudse termoplastse tselluloosi valmistamise laboratoorne pilootliin ja pakutakse välja tehnoloogiline lahendus materjalide valmistamiseks ja töötlemiseks. Töö tulemus pakub tselluloosi keemia ja plastitehnoloogia sünergias uusi laiatarbeplaste.

Tahkefaasi fermentatsioon (TFF) on üks keskkonnasõbralikumaid toidu väärindamise tehnoloogiaid. Idamaades on TFFi kasutatud aastatuhandeid aeroobsete hallitusfermentatsioonide läbiviimiseks, suurendamaks raskesti seeduva tooraine toiteväärtust. Läänemaailmas on need kasutust leidnud leiva, juustu, ja liha maitsete parandamisel. Antud projekti eesmärgiks on edasi arendada TFF meetodeid, mis võimaldavad kasutada toidu kaassaadusi (näiteks õlleraba, vadak, nisukliid) biokontrolli agentidena kasutatavate mikroobikultuuride tootmisel, kas substraatide või kandjatena. Biokontrolli agentideks on propioonhappebakterid ja hallitusseened ja nende spoorid. Propioonhappebakterid ja nende poolt toodetav propioonhape omavad potenstiaali leivatoodete säilivusaja pikendamisel, samal ajal kui hallitusseente (C. rosea, Trichoderma) spoore kasutatakse biopestitsiididena. TFFi optimieerimiseks on plaanis välja töötada uudne bioreaktor, mis võimaldab kontrollida T, pH, pO2 ning rakkude kasvukiirust.

Olulisimad projekti tulemused tagasiside võimekusega juhtmevaba patsiendiabi süsteemi arendamisel on: i) energiasäästlikud sideprotokollid lühimaa raadiosidevõrkude tarbeks, ii) kiired arvutusmeetodid reaalajas toimuvaks kõnnianalüüsiks. Saavutatud tulemusi saab kasutada neuroloogiliste haiguste (näiteks hulgiskleroos) all kannatavate patsientide elektrilise lihasstimulatsiooni rakendamisel, mis toetab neid nende igapäevatoimetustes. Tulemused on olulised ühiskonnale, sest täiustavad veelgi juba olemasolevaid tippklassi patsiendiabi seadmeid. Projekt evib laiemat mõju järgnevas: 1 - Panus ETSI SmartBAN kehalähedase raadioside standardi ja selle kasutuslugude arendamisse “Applying SmartBAN MAC (ETSI TS 103 325) for various use-cases” (SmartBAN MAC protokolli rakendamine erinevate kasutusjuhtude puhul) käesoleva projekti näitel. Töödokument DTR/SmartBAN-0014, raportöör Muhammad Mahtab Alam. 2 - Välja on antud USA patent nr US11304649B2 leiutisele "System and method for self-assessment of physical capabilities and condition changes" (Süsteem ja meetod füüsiliste võimekuste ja nende muutuste enesehinnanguks), omanikud TalTech ja Motionmon OÜ, autorid Alar Kuusik, Katrin Gross-Paju, Muhammad Mahtab Alam, prioriteedikuupäev 5.02.2019. 3 - Edukas koostöö Ida- ja Lääne-Tallinna Keskhaiglaga. Välja töötatud meetodeid saab tulevikus rakendada loodavate mitteinvasiive elektrilise lihasstimulatsiooni seadmete juures, mis vastavad paremini patsientide vajadustele ning tõstavad nende elukvaliteeti. Projekti tulemina publitseeriti märkimisväärne arv teadusartikleid, nende hulgas üheksa ajakirja ja kolmteist konverentsiartiklit, mida on eraialaringkondades olulisel määral tsiteeritud (h-indeks=9, h-10=9).

Projekti käigus uuritakse erinevate tselluloosi keemilisel väärindamisel valmistatud materjalide kasutusvõimalusi elktrienergia kogumiseks triboelektrilisel meetodil. Tallinna Tehnikaülikooli biopolümeeride tehnoloogia laboris valmistatakse tselluloosi derivaadid ning toodetakse neist elektrketruse teel nanokiulised lausmaterjalid. Määratakse lausmaterjalide peamised füüsikalised omadused. Projekti partner RISE konstrueerib lausmaterjalidest triboelektrilised seadmed ja hindab nende elektrienergia tootmise võimet.

Juhtmeta biomeditsiini andurid peaksid dramaatiliselt vähendama kulusid ja riske personaal- tervishoius, olles samal ajal üha enam telemeditsiini poolt kasutatud ja tõhusad e-tervise süsteemides. Suure energiatarbe tõttu andmete pidev edastamisel väheneb andurite aku tööiga pikaajalisel kasutamisel. Töötatakse välja sub-Nyquist pideva diskreet-amplituudiga (CTDA) signaali õendusmeetodiga analoog-digitaalmuundurid võendussageduse ja energia vähendamiseks. Kuna traditsioonilised masinõppe tehnikad ja arhitektuurid ei ühildu ebaühtlaste võendamisega, siis projekti eesmärk on välja töötada analoog-algoritmid, skeemid ja -süsteemid masinõppe tehnikate rakendamine CTDA andmete võenduseks juhtmeta biomeditsiini anduridte. See lähenemisviis kohe anduri lähedal aitab vähendada andmeside mahtu ja seega anduri energiatarvet. CTDA väljundsagedus on võrdeline analoogsignaali aktiivsusega anduri sisendis. Seetõttu taoline tark riistvara tarbib oluliselt vähem energiat. Demonstreeritakse biomeditsiinilist anduri prototüüpi, et tuvastada ja klassifitseerida näiteks uneapnoed või südame arütmiat. Andur võtab EKG ja inimese bioimpedantssignaalid ja kasutab andmete sulandamise ja õppimistehnikaid suure täpsuse saavutamiseks südamega seotud sündmuste tuvastamisel.

Eesmärgiks on disainida ja testida vererasvade taset alandavaid apolipoproteiinide analoogpeptiide kui potentsiaalseid ravimikandidaate. Nende peptiidide mõju hindamiseks kasutame taotleja uurimisrühma poolt välja töötatud uudset kalorimeetrilist meetodit, mis võimaldab mõõtmised teostada füsioloogilistes tingimustes ehk inimese lahjendamata vereplasmas. Uuring viiakse läbi nii normlipiidsete kui ka hüpertriglütserideemse vereplasma proovidega.

Drug Hunter on portatiivne analüsaator narkootiliste ainete tuvastamiseks süljes. Projekti eesmärgiks oli masinõppe meetodite integreerimine ainete tuvastamise ekspertsüsteemi, et vähendada analüsaatori kasutajalt nõutavat kompetentsi tulemuste tõlgendamiseks ja seeläbi vähendada vigu ainete tuvastamisel. Projekti jooksul testiti erinevaid juhitud õppimisel põhinevaid masinõppe meetodeid - tehisnärvivõrke. Närvivõrgu treenimiseks vajalike andmete ettevalmistamiseks (annoteerimiseks) loodi pilveteenus, kuhu salvestati kõikide analüüside tehnilised parameetrid ja saadud elektroferrogrammid, millel märgistati analüüsitavad ained. Parimaid tulemusi elektroforeetiliste mustrite tuvastamisel saadi kasutades konvolutsioonilist närvivõrku (CNN). Analüsaatorit testiti koostöös Eesti Politsei-ga narkoreidide käigus üle Eesti.

Üle maailma avastatakse pidevalt uusi viiruste liike ja tüvesid. Leitud viirused võivad kuuluda uutesse täiesti tundmatutesse viiruste taksonitesse või olla suguluses viirustega, mis on evolveerunud, hõivates uusi geograafilisi asupaiku ja /või ökoloogilisi nišše. Kuna teravili on olulisim toidugrupp inimestele ja sööt loomadele, siis on äärmiselt oluline jälgida ja uurida viiruseid, mis võivad pärineda metsikutest peremeestaimede liikidest, kuid muutuda nakkuslikuks teraviljataimedele. Käesolevas projektis on meie eesmärk mõista, kuidas teraviljakultuure nakatavate sobemoviiruste eellased evolveerusid ja divergeerusid erinevateks viirusliikideks unikaalsete peremeesringidega. Selline uuring aitab hinnata riske, mis on seotud sobemoviiruste peremeesringi vahetusega ning nende spetsialiseerumisega teraviljadele. Uuringute käigus kavatseme läbi viia: 1) taksonoomilise analüüsi, mis põhineb nii viirusvalkude järjestushomoloogial baseeruval joondamisel kui ka järjestuste joondamisel, mis arvestab sarnaste valgustruktuuride olemasoluga; 2) eksperimentaalse uuringu, mis otsib erinevatele sobemoviirustele ühist peremeestaime liiki ning hindab iga viiruse kohastumist uue peremehega.

Selle projekti kõige suuremaks saavutuseks on uue kasutajasõbraliku mikrobioloogia tööriista välja töötamine. Seda tööriista kasutati selleks, et välja selgitada kui erinevalt mõjuvad erinevad metallid üksikutele bakteri rakkudele. Need teadmised aitavad kaasa mõitsmaks, kuidas erinevad metallid mõjutavad bakterite vastupidavust antibiootikumidele. Antud tehnoloogia on samuti kasulik tuleviku eksperimentide jaoks, mida plaanitakse koostöös erinevate kohalike ja välismaisete partneritega. Antud tööriist on kergesti ja odavalt kasutatav erinevate teadlaste poolt nende enda teadusprojektides. Lisaks teaduslikele tulemustele, võimaldas antud project PI-l saada hindamatuid kogemusi juhtimises, eksperimentaalsetes protsessides, võrgustumises ja kirjutamis oskustes. Kõik see kokku võimaldas PI-l areneda iseseisvaks teadlaseks.

Projekt keskendub uute energia- ja ressursitõhusate muundumiste arendamisele, mida saaks potentsiaalselt rakendada tööstusprotsessides. Sünteetiline elektrokeemia äratab üha enam tähelepanu kui alternatiiv klassikalistele termokeemilistele protsessidele, mis vajavad toksilisi ja kalleid siirdemetall-katalüsaatoreid või stöhhiomeetrilises koguses kahjulikke oksüdeerijaid. Elektrokeemilistes reaktsioonides kasutatakse elektrone kui „jäljetuid ja rohelisi reagente“, et genereerida kõrge reaktiivsusega radikaale pehmetes reaktsioonitingimustes, mis tagab juurdepääsu varem ligipääsmatutele sünteesiradadele. Lisaks on võimalik rakendada jätkusuutlikku päikese- või tuuleenergiat, mis teeb elektrokeemia veelgi atraktiivsemaks. Selle projekti raames oleme edukalt näidanud uut elektrokeemilist lähenemist hüdroksüleeritud areenide sünteesiks, mis ei vaja oksüdeerijaid ega metallkatalüsaatoreid. Sellist tüüpi ühendid on laialdaselt kasutuses eelühenditena väärtuslike polümeeride ja keeruliste bioaktiivsete molekulide sünteesis ning nad on levinud struktuurifragmentideks paljudes looduslikes ühendites. Oleme oma teadustöös kasutanud soodsat ise valmistatud seadet, et viia elektrokeemiline muundumine läbi pidevvoolusüsteemis. Pidevvoolusüsteemi kasutamine võimaldas meil arendada töökindla ja skaleeritava protsessi, mis muudab selle keemiatööstuse jaoks eriti huvipakkuvaks.

Projekti eesmärgiks on skisofreenia varajase molekulaarse diagnostika arendamine

Chiral pollution is an environmental topic of crucial importance, considering that a large number of chemicals spreading into the environment, for example pesticides, are chiral substances. However, usually the stereoisomerism of contaminants is not considered, although the biological activity of enantiomers is significantly different, making their recognition critical for environmental control. Enantiomeric excess is currently determined by off-site analysis, requiring collection, transportation, eventual pre-treating of the sample, and expensive instrumentations and specifically trained staff. Thus, providing devices able to allow for rapid on site detection and chiral discrimination of target analytes would have a dramatic impact in all the fields of environmental control with significant economic benefits. The development of chemical sensors has been conceived to bypass restrictions related to classical analytical protocols and supports the use of conventional laboratory techniques for environmental control. While the technological foundation for chemical sensors already exists, it has been difficult to apply them to chiral discrimination and analysis, due to the lack of suitable solid state receptors. The main aims of the project are: a) the development of novel molecular receptors, mainly based on porphyrin derivatives, b) integration of the receptors with different nanostructures and characterization of their solid state organization, c) deposition of the structures onto transducer surfaces, d) testing and validation of the new chemical sensor devices with enantiomeric pairs of model analytes. The synergistic complementary know-how of six academic units and two private companies will allow a breakthrough development through delivery of sensing probes ranging from the synthesis of macrocyclic molecular receptors to the building and testing of analytical and electronic parts for final, field-capable devices.