Pentru că încercăm să acoperim cât mai multe domenii de cercetare, cel de-al 5-lea articol al seriei de interviuri cu cercetători români se referă la o cercetare interdisciplinară ce implică aspecte de fizică, chimie, biologie și medicină. Mai precis, este vorba de un proiect PNRR ce studiază fizica particulelor viromimetice, finanțat în cadrul investiției I8, și implementat tot la Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor de la Măgurele.

Titlul proiectului: Fizica Particulelor Viromimetice, PNRR CF-105

Coordonator: Prof. dr. Bogdan Dragnea 1. Care a fost scopul principal al proiectului, ce problematică v-ați propus să adresați prin implementarea acestuia? Scopul acestui proiect este de a iniția un program de studii al proprietăților fizice, biomecanice în particular, ale virușilor si particulelor viromimetice. Chestiunile investigate au importanță fundamentală și anume: ce procese duc la auto-asamblarea precisă și eficientă a virusurilor? Ce proprietăți fizice duc la performanțele lor de vectori adaptabili și selectivi? Cum am putea utiliza aceste proprietăți pentru a obține biomateriale cu funcții noi. De exemplu virusuri care emit lumina similară cu cea a laserului. Intenția pe termen lung este de a crea, la Măgurele, un centru de virologie fizică predictivă, clădind pe resursele umane și pe infrastructura disponibile la CIFRA. Rezultate din proiect vor constitui o bază solidă pentru testarea modelelor teoretice capabile de a prezice proprietățile mecanice ale virusurilor.

2. Care au fost obiectivele majore ale proiectului și în ce măsură considerați că au fost atinse până la momentul de față? Vor fi ele îndeplinite odată cu finalizarea proiectului? Proiectul a pornit de la viziunea conform căreia abordarea întrebărilor legate de mecanobiologia și termodinamica virusurilor poate duce la principii noi de proiectare a unor nanomateriale inovatoare cu proprietăți emergente. De exemplu, nano-purtători viromimetici ar putea proteja încărcătura terapeutică instabilă din punct de vedere chimic (proteine, acizi nucleici) împotriva degradării în mediu, dispunând în același timp de proprietăți mecanice și reactivitate la stimuli chimici sau fizici, necesare pentru livrarea eficientă și țintită a încărcăturii. În cadrul acestui proiect se testează ipoteza conform căreia relațiile dintre termodinamica asamblării virusurilor și proprietățile mecanice ale învelișurilor virale reprezintă cunoștințe cruciale în vederea proiectării raționale a purtătorilor viromimetici terapeutici, pentru o varietate de aplicații biomedicale, inclusiv terapia genică, vaccinurile cu ARNm și terapiile anticancerigene. În plus, controlul arhitecturii învelișului proteic al virusului și adresabilitatea sa chimică la scară moleculară au dus la descoperirea super-radianței. Lucrările derivate din această descoperire ar putea furniza informații pentru noi metode de imagistica medicala dar si pentru viitoare tehnologii hardware cuantice. Există două obiective sau subiecte principale:

Obiectivul  1:  valorificarea experimentelor dezvoltate in proiect, în care se observă reacțiile de asamblare la echilibru termodinamic și a simulărilor de autoasamblare dirijată a nanoparticulelor cu proteine virale, pentru a determina proprietățile mecanice ale învelișurilor ale unui virus. Obiectivul 2 este teoretic și se ocupa de analiza modurilor normale vibraționale ale învelișurilor virusurilor șiva furniza cunoștințe importante, necesare pentru înțelegerea mecanică a super-radianței la temperatura camerei în particule virale.

Consideram ca aceste obiective sunt peste 90% îndeplinite si vor fi integral îndeplinite până la sfârșitul proiectului, 30.06.2026.

Care considerați că sunt cele mai importante rezultate științifice obținute în cadrul proiectului (publicații, brevete, prototipuri etc.)?

1. Realizarea unui Microspectrometru, un sistem spectroscopic care a fost folosit pentru detecția fluorescenței proteinei în timpul asamblării, în absența și în prezența nanoparticulelor de aur (particule viromimetice).
2. Simulări numerice de reacții de asamblare (molecular dynamics; coarse graining). Obiectivul acestui studiu constă în simularea Monte Carlo (MC) a interacțiunii dintre moleculă sferică și suprafața de aur, evaluarea energiei Helmholz, utilizând pachetul de programe LAMMPS. Algoritmul dezvoltat evaluează energia Helmholz prin metoda hidrografică utilizând valorile energiei potențiale înregistrate în cadrul simulărilor MC efectuate cu pachetul de programe LAMMPS. Au fost efectuate simulări MC pentru condiții diferite și am identificat condițiile optime pentru autoasamblare, precum și defectele majore care împiedică asamblarea corectă.

Articole

• Ault C, Simon C, Tsvetkova IB, De Pablo PJ and Dragnea B (2025) Nanotribology of viruses reveals their adhesion strength and modality of motion on surfaces. Front. Biophys. 3:1623880. doi: 10.3389/frbis.2025.1623880
• M. Price,D. Hayakawa,T.E. Videbæk,R. Saha,B. Tyukodi,S. Fraden,M.F. Hagan,G.M. Grason, & W.B. Rogers,  From toroids to helical tubules: Kirigami-inspired programmable assembly of two-periodic curved crystals from DNA origami, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (49) e2516695122, https://doi.org/10.1073/pnas.2516695122 (2025).
• B. Tyukodi et al., Magic sizes enable minimal-complexity high-fidelity assembly of programmable shells, Physical Reviews letters 135, 118203 (2025) https://doi.org/10.1103/5yjp-kx2j.

• Invitatie de la editor de a scrie un articol de sinteza despre rezultatele proiectului in prestigioasa revista Chemical reviews, IF=55,8; AIS=15 (2024), care este in curs de redactare.

Conferinte

• Magic sizes enable minimal-complexity, high-fidelity assembly of programmable shells, Botond Tyukodi, Bogdan Dragnea et al. la Conferința Internațională: Physical Virology: Across length scales. EMBO/FEBS/Lecture Course and Conference, 01-06 Iunie 2025, Sant-Feliu de Guixols.

Care este impactul proiectului asupra resursei umane implicate în proiect? Tinerii cercetători angajați în cadrul proiectului participă la un proiect interdisciplinar, cu o tematică de mare actualitate-studiul asamblării virusurilor – care le oferă un cadru excelent de dezvoltare profesională în cadrul unei echipe internaționale de înalt nivel științific, deschidere pentru abordarea de noi subiecte de cercetare în domeniu, posibilități pentru participarea în colaborări internaționale, precum și expertiza pentru a aplica competitiv la apeluri de proiecte naționale și internaționale.

Ce elemente de noutate aduce acest proiect față de nivelul de cunoaștere existent la nivel național sau internațional? Este primul studiu interdisciplinar din Romania pentru înțelegerea proprietăților virusurilor, cu obiectivul modelării lor și care este desfășurat în cadrul unei echipe internaționale de înalt nivel științific, condusă de prof. Bogdan Dragnea (Universitatea Indiana și CIFRA). Studiul poate conduce la aplicații de mare impact în biologie și medicină.

Ce impact a avut sau estimați că va avea proiectul asupra comunității științifice (colaborări, vizibilitate, direcții noi de cercetare)?

Proiectul a avut și are un impact semnificativ prin deschiderea unui nou domeniu, interdisciplinar (fizică, chimie, biologie, medicină) de cercetare în România, începerea unei colaborări cu Universitatea Indiana, SUA, Universitatea Babeș-Bolyai, Cluj și Universitatea de Stat din Moldova și cu perspective foarte bune de a deschide noi colaborări cu instituții din România și străinătate.

Care au fost principalele provocări/dificultăți resimțite în implementarea proiectului? Principala dificultate în implementarea proiectului a fost nefinanțarea regulata, conform contractului de finanțare, 760099/23.05.2023, încheiat între MCID/ANC și CIFRA, care a produs perturbări relevante în implementare.

Ce urmează după finalizarea proiectului? Cum veți continua cercetarea sau valorificarea rezultatelor obținute? Ce oportunități de dezvoltare a proiectului preconizați? După finalizarea proiectului intenționăm continuarea lui în cadrul unor noi colaborări și proiecte de cercetare. De exemplu, prof. Dragnea a aplicat ca director proiect și instituție gazdă CIFRA la competiția de proiecte europene ERC-Advanced  Grants și a reușit să treacă în etapa a 2-a de evaluare. Este un rezultat de excepție având în vedere că până în prezent nici un cercetător angajat la o instituție din România nu a mai reușit această performanță pe un subiect din domeniul științelor de bază.

Mai multe informații sunt disponibile pe site-ul oficial al proiectului.

Secțiunea a 3-a. Scurtă prezentare a cercetătorului – studii, stagii, colaborări, premii, titluri etc.

Prof. dr. Bogdan Dragnea – scurtă prezentare

Bogdan Dragnea a absolvit Facultatea de Fizica a Universității București in anul 1992. În anul 1997 a finalizat studiile doctorale în Fizică la Universitatea Paris-Sud, Orsay, Franța, urmând între 1998 și 2001 un post-doctorat în Chimie-Fizică la Universitatea Colorado Boulder, USA. Începând cu anul 2001 este Profesor în cadrul Departamentului de Chimie, Universitatea Indiana, Bloomington, USA. Prof. Bogdan Dragnea este autor a peste 150 de articole științifice în reviste WoS de prestigiu (JACS, PNAS, Nature Phys., Phys. Rev. etc.), care au acumulat peste 3500 de citări și un index Hirsh 34. De-a lungul carierei sale a participat ca editor invitat al „Annual Reviews of Physical Chemistry” (2007), referente pentru reviste științifice de prestigiu (Science, Nature, J. Am. Chem. Soc., Angewandte Chemie, Phys. Rev.) fiind co-inițiator al „The Gordon Research Conference in Physical Virology”. A coordonat proiecte de cercetare finanțate de „National Science Foundation” (NSF) și alte organizații în valoare de peste 10 milioane USD.

Premii distinctii: “Aguirre–Basualdo” award for a PhD in Sciences, 1997 (granted at Sorbonne); SPIE fellowship in Optical Science and Engineering(2000); Provost Professorship, Indiana University(2010-prezent); Carolyn and Charles Knobler Lectureship, UCLA (2020). Mai multe informații despre Prof. Dr. Bogdan Dragnea sunt disponibile aici.