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Líneas de Investigación

Nano Bio Ciencia es el término que mejor describe el contexto científico de nuestro laboratorio. Trabajamos en el campo de la Biofísica Molecular y Celular, adentrándonos en el estudio de las macromoléculas que componen la maquinaria de las células.  Nuestro laboratorio intenta ir más allá de la comprensión de las moléculas de la vida como sustancias bioquímicas con experimentos de molécula individual.

 

Nuestras líneas de investigación tienen que ver con tres niveles fundamentales de escala en Biología: los niveles de la molécula, el orgánulo y la célula. También estamos interesados en el desarrollo de técnicas biofísicas para estos propósitos científicos.

 

Biofísica de Molécula Individual:

  • Transiciones estructurales de biomoléculas. Las proteínas y los ácidos nucleicos sufren transiciones estructurales en respuesta a los cambios del medio en el que se encuentran. Las proteínas pueden desplegarse o saltar entre dos estados estructurales diferentes, y el conjunto de los diferentes estados está relacionado con la función biológica de la proteína. Los ácidos nucleicos experimentan cambios aleatorios de origen entrópico y también transiciones entre configuraciones estables. Nosotros estamos interesados en entender la estabilidad mecánica de las diferentes formas de los ácidos nucleicos de doble hebra. Es conocido que el ADN de doble hélice adopta la conformación B en condiciones fisiológicas, pero que dicha conformación no es inmutable: el ADN de doble hebra tiene la destacable capacidad de cambiar su forma. Por el contrario, el ARN de doble hélice adopta la forma A y es estructuralmente conservativo. Las transiciones estructurales de grandes macromoléculas individuales son los análogos en sistemas finitos de las transiciones de fase en los sistemas compuestos por un número indefinidamente grande de moléculas, con la diferencia de que en los primeros, los efectos de frontera del sistema son mucho más importantes que en los segundos. Para estudiar la estabilidad mecánica y las transiciones entre las formas de moléculas de ácido nucleico aplicamos fuerzas externas molécula a molécula.

B

A

 

Nanomanipulación óptica de RNA Quadruplexes. A. De izquierda a derecha: Posible estructura de largas secuencias teloméricas basadas en quadruplexes como monómeros. Cada unidad forma un "G-quartet" donde las interacciones de enlaces de hidrógenos entre 4 guaninas en el mismo plano con un núcleo de un ión como puede ser K+ o Na+. El G-quadruplex está originado por el apilamiento de los G-quartet. B. Curvas de Fuerza-Extensión donde se muestran eventos de plegamiento y desplegamiento del G-Quadruplex. Las curvas en azul muestran el estiramiento mientras que las curvas en verde muestran la relajación. También se observa, alrededor de 65 pN, la transición de Overstretching. 

  • Biomáquinas Moleculares. La eficiente replicación, transcripción, empaquetamiento o modificación de ácidos nucléicos se lleva a cabo por proteínas que explotan las propiedades físicas de estas cadenas de polinucleótidos. La tensión y el torque ejercidos por las proteínas que interactúan con el ADN pueden inducir cambios estructurales (como los discutidos anteriormente), así como la apertura o desenrollamiento de las dos hebras de la doble hélice.

  • Termodinámica de sistemas pequeños. La investigación experimental es el caldo de cultivo fundamental para la teoría. El estudio de biomáquinas moleculares mediante un abordaje de molécula individual nos lleva de manera natural al análisis termodinámico de su contexto mesoscópico. Específicamente, estudiamos el procesamiento de información genética que tiene lugar en replicación y transcripción, tareas que están desarrolladas por auténticos demonios de Maxwell moleculares con procesadores de 2 bits.

 

 

 

Biofísica de Orgánulo Individual:

  • Propiedades eléctricas de orgánulos celulares analizados por medio de la medida de fuerzas con pinzas láser. El esquema muestra una configuración experimental en la que un centrosoma aislado en la trampa óptica es desplazado respecto del centro de la región focal del láser de atrapamiento por la acción de un campo eléctrico. 

 

 

La manipulación de orgánulos individuales puede revelar las propiedades físicas de estos ensamblados moleculares tan extremadamente grandes. Un buen ejemplo de esto es el centrosoma, un orgánulo complejo de las células eucariotas superiores que suele situarse cerca del centro de la célula y en proximidad con el núcleo. Su estructura es altamente heterogénea por la diversidad de tipos célulares y organismos, pero normalmente está compuesto por un par de centriolos rodeados por el llamado material pericentriolar. El medio celular, que está altamente condensado, da lugar a una dinámica compleja basada en multitud de procesos locales que están, al mismo tiempo, globalmente integrados. En este escenario las grandes estructuras tales como el centrosoma, los microtubules, las membranas o el citosqueleto deberían estar implicadas en la organización y movimiento de las macromoléculas. Nosotros manipulamos orgánulos in vitro para interrogarlos uno a uno en configuraciones experimentales como la mostrada en la figura siguiente, que representa cómo se realiza un análisis electrofisiológico de un orgánulo aislado.

 

 

 

Propiedades eléctricas de orgánulos celulares analizados por medio de la medida de fuerzas con pinzas láser. El esquema muestra una configuración experimental en la que un centrosoma aislado en la trampa óptica es desplazado respecto del centro de la región focal del láser  de atrapamiento por la acción de un campo eléctrico.

 

 

 

  • Sistemas biocompatibles en la nanoescala. Hemos diseñado y/o caracterizado nanoestructuras complejas, tanto biológicas como sintéticas, con respuesta dinámica a estímulos externos en medios fisiológicos, con el fin de producir instrumentos biocompatibles en nanomedicina, tecnología de biosensores y biofícia de molécula individual.

Análisis de nanoestructuras individuales complejas. Izquierda, representación de un experimento con plataformas de pNIPAM, un polímero termo-contráctil, decorado con puntos cuánticos y nanopartículas de oro. Las plataformas son atrapadas y estimuladas por luz láser infrarroja altamente concentrada (pinza óptica), que genera  la comunicación plasmón-excitón entre nanopartículas de oro y puntos cuánticos (en rojo). Derecha, imagen de microscopía electrónica de una plataforma individual, con las nanopartículas de oro (puntos negros) y los puntos cuánticos coloidales (fondo granulado de color gris) sobre su superficie.

  • Desarrollo de Técnicas Biofísicas para Manipulación Intracelular.  La investigación in vivo de la física que se da en el interior de las células biológicas constituye un campo de investigación muy relevante por las consecuencias que tiene en la propia biología y en la ingeniería en la nanoescala. Nosotros perseguimos la comprensión de las bases físicas de procesos biológicos fundamentales como son la división y organización celulares, con técnicas novedosas que puedan abordar el interior celular.

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