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Biofísica Molecular: explorando la
mecanoquímica de la célula
Las macromoléculas que componen la
maquinaria de las células funcionan en un medio muy diferente al de las
soluciones regulares y homogéneas del laboratorio. Por un lado, el citoplasma es
un medio enormemente condensado en donde las estructuras moleculares como los
cromosomas, ribosomas, polimerasas, motores moleculares, poros nucleares,
canales y enzimas de membrana, huso acromático y centrómero, anillo contráctil,
etc., deben funcionar como si de una orquesta se tratase. Por otro lado, muchas
de estas estructuras están presentes en números notablemente pequeños, cada una
trabajando individualmente y sujetas a grandes fluctuaciones que son, en muchos
casos, una parte integral de su función.
Las moléculas biológicas han sido
estudiadas tradicionalmente con métodos bioquímicos de volumen, donde un gran
número de ellas son analizadas simultáneamente. Estos experimentos macroscópicos
proporcionan promedios poblacionales y temporales de las características
individuales de cada molécula. El conjunto de propiedades deterministas y de
variación lenta así obtenidas dan lugar a una imagen idealizada, esto es,
moléculas con dinámicas lentas y bien definidas. Pero al nivel de molécula
individual, la imagen es bien diferente: se las puede encontrar en estados
lejos del comportamiento promedio de la población, y sus dinámicas instantáneas
son rápidas y altamente aleatorias. A este nivel de detalle, la imagen
macroscópica falla y la descripción microscópica se hace necesaria.
Esta área de investigación
se denomina mecanoquímica, e incluye procesos bioquímicos tan diversos
como plegamiento de proteínas, elasticidad de ácidos nucleicos, curvatura de ADN
inducida por proteínas, catálisis enzimática inducida por estrés, comportamiento
de motores moleculares y los procesos ubicuos de reconocimiento
proteína-proteína.
Manipulación de moléculas
individuales
Los experimentos de moléculas individuales difieren de las
medidas macroscópicas en dos aspectos fundamentales. Primero, en la importancia
de las fluctuaciones, tanto en el sistema de estudio como en el instrumento de
medida; y segundo, en la importancia de la fuerza y el desplazamiento como
variables bajo control experimental y sujetas a medidas directas.
Las células contienen una gran variedad de motores moleculares
que generan fuerza y producen movimientos (por ejemplo: kinesina en microtúbulos,
miosina en actina). Las medidas en volumen de los componentes
purificados pueden proporcionar, por ejemplo, las tasas de hidrólisis de ATP,
pero no pueden revelar fácilmente la conexión entre catálisis y movimiento
mecánico.
Generalmente, en los experimentos de moléculas individuales,
éstas se agarran a asas que son usadas para medir o ejercer fuerzas.
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.
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.
Biofísica de Orgánulo Individual: 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.
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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