O programa visa o desenvolvimento de três linhas de pesquisa:

Modelagem e Simulação de Nanobiosistemas

Síntese e Caracterização de Nanobiosistemas

Aplicações de Nanobiosistemas

Segue abaixo descrição detalhada.

Linha de Pesquisa 1: Modelagem e Simulação de Nanobiosistemas

A linha de pesquisa “Modelagem e simulação de Nanobiosistemas” inclui projetos orientados à modelagem e simulação de sistemas biológicos, químicos e físicos, direcionados a solucionar problemáticas principalmente na área da saúde e do meio ambiente. O objetivo é desenvolver ferramentas computacionais para análise sistemática e integrada de diversos parâmetros que compõem sistemas nanobiológicos complexos, como por exemplo a formação de padrões de regulação gênica e sinalização celular, computação quântica, estruturas de proteínas e de compostos bioinorgânicos. Os cálculos numéricos são baseados em métodos teóricos como redes complexas, equações diferencias, algoritmos genéticos, caminhada quântica e modelagem molecular. Os modelos experimentais (dados de expressão gênica, proteica, imageamento in vivo, etc) são desenvolvidos nas unidades credenciadas na pós-graduação.

            A elaboração de modelos visa a uma melhor compreensão e descrição dos nanobiosistemas estudados, permitindo propor soluções principalmente à problemas biomédicos fundamentais, como o desenho racional de novas vacinas, a descrição de mecanismos de regulação gênica e sinalização celular, o planejamento de novos fármacos e a realização de novos compostos com propriedades antipatogênicas. Os modelos permitirão também determinar a morfologia e composição química mais adequada de nanomateriais a serem desenvolvidos (descritos na linha 2) para alcançar objetivos terapêuticos ou ambientais, levando em conta a sinergia teórica entre o material, o fármaco e a molécula biológica envolvida no problema a ser resolvido ou o objetivo a ser alcançado.

A linha de pesquisa se articula nos seguintes objetivos específicos:

1. Teoria de redes complexas aplicada ao estudo da regulação gênica e redes de sinalização celular
2. Metaheurísticas aplicadas a problemas de minimização em modelos de redes complexas
3. Propriedades emergentes e frentes de onde em redes de regulação gênica e sinalização celular
4. Análise e processamento de imagens de microscopia confocal
5. Mecanismos de proteção de células-tronco contra terapias anticâncer
6. Desenho racional in silico de novas vacinas.
7. Algoritmos quânticos para modelagem de sistemas físicos e biológicos.
8. Sistemas computacionais para cálculo de estruturas de proteínas.
9. Química computacional para planejamento de novos fármacos.
10. Planejamento de novos compostos bioinorgânicos com propriedades antivirais, antibacterianas, antifúngicas e herbicidas.
11. Planejamento de novos materiais nanoestruturados para soluções na área de saúde e do meio ambiente.
12. Simulação de processos dinâmicos e mecanismos de transporte de espécies moveis em materiais condutores iônicos usados em dispositivos para fontes de energia limpa (células a combustível, células solares sensibilizadas por corante)
13. Simulação de propriedades opto-eletrônicas em nano-dispositivos usados em aplicações para células solares
14. Simulação morfológica e química de novos catalisadores nanoestruturados para aplicações catalíticas em petroquímica.
15. Análise genômica, geração e processamento de dados, com aplicação na saúde humana, animal e vegetal e na área ambiental.
16. Desenvolvimento e uso de computação de alto desempenho para estudo de problemas biológicos.
17. Processamento e Visualização de Imagens.
18. Desenvolvimento e análise de algoritmos baseados em passeios quânticos.
19. Modelagem multiescala.

Linha de Pesquisa 2: Síntese e Caracterização de Nanobiosistemas

A linha de pesquisa “Síntese e Caracterização de Nanobiosistemas” tem por objetivo desenvolver nanomateriais (físicos, biológicos ou híbridos) capazes de resolver problemas sanitários, terapêuticos, toxicológicos ou ambientais de interesse da sociedade. Inicialmente, processos químicos e químico-biológicos conhecidos e/ou inovadores serão utilizados para síntese de nanomateriais podendo apresentar uma eficiência para resolução do problema. A estrutura desses sistemas será investigada tanto na escala local quanto na escala nanométrica, e correlacionada com as suas propriedades, visando sua otimização. Para isso, serão também empregados diversas técnicas de caracterização de nanosistemas, como técnicas de microscopia eletrônica, microscopia óptica de campo próximo, microscopia de ponta de prova, espectroscopia Raman e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X. Técnicas disponíveis no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS, Campinas-SP) para investigação de sistemas nanoestruturados como por exemplo o SAXS (espalhamento de raio-X em baixos ângulos) serão também empregadas. Essa linha de pesquisa é extremamente multisdisciplinar, necessitando da competência de Químicos, Físicos, Biológos e Cientistas de Materiais.

Dentro desta linha de pesquisa, serão alvos primários de investigação os seguintes temas:

1. Desenvolvimento de nanopartículas inorgânicas ou nanopartículas híbridas orgânicas-inorgânicas para o encapsulamento, a vetorização e a liberação rápida e local de fármacos ou vacinas nas células do paciente.
2. Desenvolvimento de filmes finos nanoestruturados (nanopartículados, mesoporosos etc...) inorgânicos e híbridos e de nanofibras para o encapsulamento e a liberação prolongada e controlada no sangue humano de fármacos e vacinas.
3. Desenvolvimento de filmes finos nanoestruturados e nanotubos inorgânicos e híbridos orgânicos-inorgânicos para uso em biosensores para detecção de vírus, bactérias, substancias toxicas entre outros.
4. Desenvolvimento de biosistemas nanoestruturados apresentando propriedades elétricas ou ópticas a base de agregados de proteínas (fibrilas, partículas) interagindo com metais, visando agregar conhecimento para aplicações futuras em eletrônica e óptica.
5. Desenvolvimento de nanofibras para regeneração de tecidos biológicos.
6. Desenvolvimento de membranas poliméricas nanoestruturadas condutoras iônicas e de filmes nanoestruturados ou nanotubos inorgânicos e híbridos orgânicos-inorgânicos para aplicações em fontes de energia limpas como células a combustível e células solares.
7. Síntese de novos catalisadores mesoporosos inorgânicos e híbridos orgânicos-inorgânicos para aplicação em processos químicos, particularmente em petroquímica.
8. Nanometrologia e Nanotecnologia em grafeno e materiais bidimensionais.
9. Instrumentação e pesquisa em microscopia óptica de campo próximo.
10. Nanoestruturas de carbono e biocarvão para aplicação em solos.
11. Metrologia dimensional de nano-objetos por métodos diretos e indiretos.
12. Espectroscopia Raman aplicada ao estudo de polimorfismo em fármacos.
13. Metrologia aplicada a nanocompostos poliméricos.
14. Metrologia de superfícies aplicada a materiais biológicos.

Linha de Pesquisa 3: Aplicações de Nanobiosistemas

O foco da linha de pesquisa “Aplicações de Nanobiosistemas” é a aplicação tecnológica dos nanobiosistemas idealizados na linha de pesquisa 2 para solucionar problemas de grande impacto em áreas biomédicas e do meio ambiente. Através da fabricação de novos protótipos usando conceitos da nanociência e implementação de novos métodos com alto conteúdo nanotecnológico pretende-se responder de forma prática a essas demandas fundamentais e desafiadoras da nossa sociedade. A linha agrega projetos orientados a avaliar tanto a eficiência e a viabilidade sócio-econômica desses nano-dispositivos quanto sua inocuidade para o ser humano e o meio ambiente, inclusive através de parcerias com o setor produtivo e os órgãos públicos de saúde. É importante salientar que até hoje não foram fornecidas respostas claras sobre a inocuidade dos sistemas nanoestruturados para a saúde humana. Se trata, portanto, de pesquisas na fronteira do conhecimento num assunto de suma importância para a sociedade.

A linha de pesquisa se articula nos seguintes objetivos específicos:

1. Teste de citotoxicidade e da eficiência terapêutica dos nanomateriais carregadores de fármacos e de vacinas desenvolvidos.
2. Teste de citotoxicidade e eficiência biológica das nanofibras para regeneração de tecidos.
3. Fabricação e testes em funcionamento de biosensores nanoestruturados (fluorescentes, electroquímicos ou magnéticos) para detecção de vírus, bactérias, substancias toxicas entre outros.
4. Fabricação e testes em funcionamento de células a combustível contendo membranas nanoestruturadas condutoras de prótons.
5. Fabricação e testes em funcionamento de células solares contendo filmes inorgânicos, filmes híbridos orgânicos-inorgânicos nanoestruturados e eventualmente membranas poliméricas nanoestruturadas condutoras iônicas
6. Teste da eficiência catalítica de novos catalisadores mesoporosos em processos químicos, particularmente para petroquímica.