Tehnologii Moleculare şi Biomoleculare

Echipa Tehnologii Moleculare și Biomoleculare este implicată în cercetări avansate care explorează și dezvoltă noi sisteme micro/nanostructurate destinate tehnologiilor emergente, aplicaţiilor teranostice biomedicale, biomimeticii, senzorilor moleculari și biomoleculari, electronicii moleculare etc.

Tematici iniţiate / dezvoltate

  • Recunoaştere moleculară şi procese de auto-asociere, interacţiuni intra- şi inter-moleculare
  • Structuri supramoleculare cu arhitectură şi funcţionalitate controlată
  • Micro/nanostructuri inteligente bioinspirate cu aplicaţii în medicină, industrie şi anti-contrafacere
  • Detecţia şi identificarea în timp real a microorganismelor prin tehnici spectroscopice ultrasenzitive
  • Investigarea sistemelor moleculare depuse pe suprafeţe metalice, a proceselor de transport cuantic, respectiv a complecşilor biomoleculari prin tehnici „in silico”
  • Identificarea de noi peptide antimicrobiene şi anticancerigene
  • Mecanisme de transport prin membrane model, proteine, nanotuburi/nanopori biologici şi solid-state
  • Dezvoltarea unor platforme inovative bazate pe exozomi destinate aplicaţiilor teranostice biomedicale

Expertiză

  • Fabricarea structurilor moleculare cu arhitectură și funcționalitate controlată prin epitaxie cu fascicul molecular (MBE) în vid ultra-înalt și a suprafețelor micro/nano-structurate prin litografie de nanoimprint (NIL) cu aplicații în senzoristică și electronică moleculară
  • Caracterizarea cu rezoluție nanometrică a topografiei suprafețelor utilizând tehnici microscopice de scanare (STM și AFM) în vid ultra-înalt
  • Detecție de microorganisme prin spectroscopie Raman și Raman amplificată de suprafață (SERS) și discriminarea lor folosind analize chemometrice multivariate (PCA, LDA, PCA-LDA pe spectre vibraționale)
  • Design raţional, generare şi caracterizare de peptide scurte antimicrobiene/anticancerigene
  • Modelare moleculară multiscalară de la nivel atomic la nivel molecular (coarse-grained) şi simulare de sisteme biofizice complexe (proteine/peptide scurte, ADN/ARN, modele membranare bacteriene şi de mamifer) folosind dinamică moleculară, chimie cuantică
  • Elaborare de modele „tight-binding” și modelare ab-initio pentru sisteme moleculare
  • Calcul in silico a profilelor de energie libere/PMF de transport transmembranar, (auto) asociere, adeziune membranară prin metode la echilibru (Umbrella Sampling), neechilibru (FR method), flat-based histogram ((MW)2-XDOS method), andocare moleculară
  • Caracterizare biomolecule (cu potenţial terapeutic/farmaceutice, biomimetice, proteinelor implicate în procese de semnalizare moleculară asociate cancerului, stresului oxidativ/bolilor neurodegenerative) prin metode computaţionale (simulări de dinamică moleculară, andocare moleculară); metode biochimice şi biofizice: SEC-MALS, tehnici spectroscopice (UV/Vis, fluorescenţă, Raman), imunodetecţie (Western Blot), tehnici de electroforeză şi densitometrie a gelurilor; metode biochimice şi microbiologice: activitate antibacteriană (MIC/MBC şi metoda difuzometrică), testare viabilitate celulară (IC50), activitate enzimatică (TTC), activitate metabolice (MTT), integritate membranară (LDH), activitate antioxidantă (SOD, CAT, GPx, GSH), markeri inflamatori
  • Culturi celulare bacteriene; Expresie proteine in E. coli (clonare în vectori de expresie, PCR, mutageneză punctiformă, clonare prin asamblarea segmentelor de ADN); Purificare proteine (sonicare, centrifugare, tehnici cromatografice); Caracterizare structurală a proteinelor, moleculelor mici, biomoleculelor prin cristalografie cu raze X.

Lider de Echipă

Dr. Ioan TURCUCercetător Științific I
Domeniu de expertiză: Efectele câmpurilor electrice intense asupra celulelor biologice, Împrăștierea la unghiuri mici a radiației laser pe celulele biologice. Auto-asamblare a sistemelor supramoleculare, recunoaștere moleculară.

Membri:

Drd. Ioana Andreea BREZESTEANAsistent Cercetător
Domeniu de expertiză: Nanomateriale, Detecție de toxine, Raman, SERS, Microsopie, Caracterizarea materialelor, Uv-Vis, Sinteza de nanoparticule.

Dr. Luiza Tania BUIMAGĂ-IARINCACercetător Științific III
Domeniu de expertiză: Fizică atomică și moleculară, Chimie teoretică, Chimie fizică.

Dr. Paula BULIERISCercetător Științific
Domeniu de expertiză:Biochimia Proteinelor,  Biologie Structurală, Caracterizarea biomoleculelor prin tehnici biochimice și biofizic.

Dr. Alia COLNIŢĂCercetător Științific
Domeniu de expertiză: Spectroscopie vibrațională, Chimie Fizică, Fizică biomoleculară.

Dr. Bogdan Ionuţ COZARCercetător Științific III
Domeniu de expertiză: Fizică moleculară și biomoleculară, Fizică teoretică.

Dr. Nicoleta DINACercetător Științific II
Domeniu de expertiză: Spectroscopie vibrațională, Chimie analitică, Fizică biomoleculară, Fizică teoretică și statistică, Chemometrie, Modelare computațională.

Sabina-Emanuela ERHANAsistent Cercetător
Domeniu de expertiză: Biologie, Biologie Moleculară, Biochimie.

Dr. Alexandra FĂRCAŞCercetător Științific
Domeniu de expertiză: .

Drd. Anca FĂRCAŞCercetător Științific
Domeniu de expertiză: Biologie celulară și moleculară, Fiziologie animală, Biochimie, Hematologie.

Drd. Ana Maria Raluca GHERMANCercetător Științific
Domeniu de expertiză: Fizică moleculară și chimică, Chimie computațională, Spectroscopie Raman, Analiză chemometrică multivariată, Docking moleculare.

Dr. Loránt JÁNOSICercetător Științific I
Domeniu de expertiză: Modelare moleculară, Biofizică teoretică şi computaţională, Fizică atomică, moleculară și chimică, Chimie fizică.

Dr. Sorin Daniel MARCONICercetător Științific III
Domeniu de expertiză: Fizica corpului solid, Nanomateriale, Filme subțiri, Fizică moleculară.

Dr. Augustin Cătălin MOŢCercetător Științific III
Domeniu de expertiză: Chimie bioanalitică, Chemometrie, Biospectroscopie.

Cristina NUŢTehnician

Dr. Roxana-Diana PAȘCACercetător Științific
Domeniu de expertiză: Chimie Fizică.

Dr. Doru Cristian STICLEŢCercetător Științific III
Domeniu de expertiză: Fizica corpului solid, Fizică mezoscopică, Supraconductivitate, Transport cuantic, Efecte topologice în materia condensată.

Dr. Tiberiu SZŐKE-NAGYCercetător Științific
Domeniu de expertiză: Biologie celulară și moleculară, Filogenie moleculară, Microbiologie generală.

Drd. Vlad Alexandru TOMACercetător Științific
Domeniu de expertiză: Histologie, Imunohistochimie, Criotomie, Studii pe animale de laborator, Teratologie, Neurobiologie, Stress oxidativ, Neurochimie.

Bio-inspired intelligent micro/nanostructures with applications in medicine, industry and anti-counterfeiting

The fabrication of well-defined nanostructures in various materials leads to different and unique properties compared to those of the bulk material, showing high promise in the development of very versatile biosensing platforms. Nanostructured surfaces are of particular interest in the field of medicine, especially in different domains of the healthcare sector: biosensing, drug delivery, biomaterials, implants therapeutics and medical devices and instruments. A particular case of nanostructuring is the formation of Si nanopillars, by using single-step fabrication of homoepitaxial silicon nanocones on Si(111) reconstructed substrates by molecular beam epitaxy technique. [1]. Another focal point deals with the effect of substrate temperature on structural and morphological properties of Au/Si(111) thin films with atomically flat gold terraces used as substrates for self assembled monolayers [2].

[1] A. Colniţă, D. Marconi, R. T. Brătfălean, I. Turcu, Applied Surface Science, Vol. 436, pp. 1163-1172 (2018)
[2] D. Marconi, A. Ungurean, Applied Surface Science, Vol. 288, pp. 166-171 (2014)


Discrimination and Characterization of Gram-Positive Bacteria by Means of Raman Spectroscopy and Principal Component Analysis

Raman scattering and its particular effect, surface-enhanced Raman scattering (SERS), are whole-organism fingerprinting spectroscopic techniques that gain more and more popularity in bacterial detection. Two relevant Gram-positive bacteria species, Lactobacillus casei (L. casei) and Listeria monocytogenes (L. monocytogenes) were successfully discriminated based on the joint use of Raman, SERS and Principal Component Analysis (PCA) to their specific spectral data [1]. Furthermore, the biochemical structures of the bacterial cell wall of L. casei and L. monocytogenes were identified by using their Raman and SERS spectral fingerprints. Another recent result has materialized in a patent application submitted to OSIM: A00976/28.11.2018, authors: Dina Nicoleta Elena, Colniţă Alia, Marconi Sorin Daniel, Szöke-Nagy Tiberiu, Gherman Ana-Maria-Raluca, Leopold Nicolae, Ştefancu Andrei, title: Procedeu de detecție prin spectroscopie RAMAN amplificată de suprafață (SERS) într-un sistem de curgere microfluidic utilizând un spot de argint ca substrat amplificator SERS.

[1] A. Colniță, N.E. Dina, N. Leopold, D.C. Vodnar , D. Bogdan, S. A. Porav and L. David, Nanomaterials, 7, 24 8(2017)


Novel Antimicrobial Peptides

One of the main causes leading to antimicrobial (AM) resistance is the very slow progress in the development of new antibacterial drugs. The main challenge for discovering new AM peptides is increasing safety and efficacy of the novel drugs.
Using complementary computational and experimental techniques, we showed that the substitution of tryptophan by histidine in short tryptophan- and arginine-rich peptides proved to strongly modulate the antimicrobial activity, mainly by changing the peptide-to-membrane binding energy [1]. The substitution of arginine has low effect on the antimicrobial efficacy. The presence of histidine residue reduced the cytotoxic and hemolytic activity of the peptides. The peptides’ antimicrobial activity was correlated to the 3D-hydrophobic moment and to a simple structure-based packing parameter. Significance: The short tryptophan-rich peptides’ therapeutic index can be maximized using the histidine substitution to optimize their structure.

[1] M. Bacalum, L. Janosi, F. Zorila, A.-M. Tepes, C. Ionescu, E. Bogdan, N. Hadade, L. Craciun, I. Grosu , I. Turcu, M. Radu, BBA – General Subjects 1861 (2017) 1844–1854.


Adsorption parameters for organic/magnetic molecules on metallic surfaces

The characteristics of interaction between transition-metal molecules and metallic surfaces ware detailed as resulted from DFT calculations. Van der Waals interactions as well as the strong correlation in 3d orbitals of transition metals is taken into account in all calculations. We showed that the interaction between the transition metal and surface is the result of a combination between the dispersion interaction, charge transfer and weak chemical interaction. The detailed analysis of the physical properties, such as dipolar and magnetic moments and the molecule–surface charge transfer, analyzed for different geometric configurations allows us to propose qualitative models, relevant for the understanding of the self-assembly processes and related phenomena.

[1] L. Buimaga-Iarinca, C. Morari, Scientific Reports | (2018) 8:12728 | doi:10.1038/s41598-018-31147-5
[2] L. Buimaga-Iarinca, C. Morari, Beilstein J. Nanotechnol | (2019) 10:706–717|doi: 10.3762/bjnano.10.70
[3] L. Buimaga-Iarinca, C. Morari, Nanotechnology | (2019) 30:045204|doi:10.1088/1361-6528/aaed75


Topological phase-diagram for magnetic impurities adsorbed on NiSe2 surfaces

Recent experimental studies have found that magnetic impurities deposited on superconducting monolayer NbSe2 generate coupled Yu-Shiba-Rusinov bound states. In this context, we considered ferromagnetic chains of impurities which induce a Yu-Shiba-Rusinov band and harbor Majorana bound states at the chain edges. We found that these topological phases are stabilized by strong Ising spin-orbit coupling in the monolayer and estimated the conditions under which Majorana phases appear as a function of distance between impurities, impurity spin projection, orientation of chains on the surface of the monolayer, and strength of magnetic exchange energy between impurity and superconductor.

[1] D. Sticleț, C. Morari, Phys. Rev. B | (2019) 100:075420 | doi: 10.1103/physrevb.100.075420