Investigación

Núcleo Milenio en
NanoBioFísica

Investigación para un desarrollo responsable de la nanotecnología

Investigación

N²BP

El desarrollo responsable de la nanotecnología requiere entender las interacciones nano-bio a un nivel fundamental. Nuestro equipo de investigación combina ciencias de los materiales, simulación molecular y biofísica poniendo énfasis en mecánica estadística, experimentos cuantitativos y simulación. Estudiamos sistemas a nanoescala, en especial, la interacción entre nanopartículas, canales de membrana, solventes polares pequeños y proteínas. El objetivo general del N2BP es entender cómo emerge la estructura y función en geometrías nano-confinadas, desentrañar la interacción nanobio y sus efectos en canales de membrana.

Nanotubos de carbono

Se determinará la termodinámica del nanoconfinamiento utilizando nanotubos de carbono (CNT) como modelos simples de extremo confinamiento.

Los sistemas más pequeños en los que hemos observado la aparición de estructuras son aquellos de agua dentro de nanotubos estrechos. La carga de agua se debe al confinamiento y a las interacciones cooperativas dipolo-dipolo, lo que da como resultado correlaciones y estructuraciones espaciales. Pocos estudios han explorado y generalizado este fenómeno para otras moléculas polares. A través de simulaciones moleculares cuánticas y clásicas investigamos este proceso para alcoholes pequeños dentro de los nanotubos.

Nuestros modelos son calibrados comparando con mediciones de ángulo de contacto (CA) de las interfases grafeno-agua y grafeno-alcohol. En la literatura se reportan distintos valores de CA, por lo que crecemos grafeno prístino para realizar mediciones precisas de CA.

Junto a los investigadores principales, nuestro equipo cuenta con 2 post-doctorados y estudiantes de pre y postgrado de distintos programas. Su investigación en N2BP no sólo los forma como expertos en sus áreas, además les permite desarrollar investigación multidisciplinaria, fundamental para la solución de problemas complejos

Acuaporinas

Las acuaporinas (AQP) sirven como una medida experimental de agua y alcoholes confinados.

Las AQP son proteínas de membrana que forman nanoporos que transportan agua a través de las células. Tenemos evidencia de simulación dinámica molecular (MD) indicando que la despolarización produce un cambio estructural en el par Arginina-Histidina en el filtro de selectividad (SF) en h-AQP4, lo que sugiere que este cambio podría medirse como una corriente de activación. A través de ensayos de abrazadera de parche buscamos probar esta predicción y explorar si este es un mecanismo general en AQP de diferentes reinos, dada la alta conservación de la SF.

En concreto, estudiaremos el alineamiento dipolar del SF. Ya tenemos datos preliminares sobre las corrientes de activación de AQP en humanos y plantas y hemos observado diferentes cinéticas de activación que exhiben permeabilidades de agua diferentes. Planteamos entonces la hipótesis de que el movimiento del agua a través del SF está afectando la compuerta cinética actual, esencialmente haciendo que las corrientes de compuerta sean una medida de agua nanoconfinada.

Las AQP también puede transportar pequeños alcoholes, por lo que exploraremos si las corrientes de compuerta pueden servir para estudiar pequeños confinamientos de alcohol. En general, buscamos determinar detección de voltaje en AQP y explorar su uso como herramienta para medir solventes nanoconfinados.

Canales de protones Hv1

Los canales de protones sensibles al pH intracelular y activados por voltaje (Hv1) extruyen protones cuando aumenta su concentración intracelular. La estructura de Hv1 es similar al dominio de detección de voltaje (VSD) de otros canales iónicos, pero carece del dominio de poro. El canal Hv1 tiene 4 segmentos transmembrana y se ha propuesto que el segmento S4 es el VSD que al despolarizarse desencadena cambios estructurales que permiten la conducción de H+. Buscamos desentrañar el mecanismo molecular del acoplamiento electromecánico entre el transporte de S4 y H+. Tenemos resultados de simulación dinámica molecular (MD) que muestran que, para los estados activos, el canal aumenta su permeabilidad al agua, lo que sugiere que el transporte de agua y H+ están íntimamente acoplados. Planteamos entonces la hipótesis de que las corrientes de activación también deberían estar acopladas a las diferencias de presión osmótica, similar a la dependencia de pH delta de la detección de voltaje.

Los estudios de MD predicen que la estructuración del agua también influye en el transporte de H+ por lo que profundizaremos en este aspecto a través de simulación molecular cuántica y clásica.

De este modo, buscamos establecer un papel funcional para el agua nanoconfinada en el canal Hv1

Interacción de aminoácidos con nanoestructuras de carbono

Las nanoestructuras de carbono (CBN) como nanotubos, grafeno y fulerenos, han sido propuestas para diversas aplicaciones. El consenso general es que, dado su tamaño e inespecificidad, las CBN interaccionan con proteínas y membranas vía interacciones nocovalentes con grupos aromáticos e hidrófobos.
La interacción de los aminoácidos con CBN es esencial para comprender la interfaz proteína-CBN. Tenemos datos de simulación dinámica molecular (MD) actuales sobre la energía libre (DG) de fisisorción de los 20 aminoácidos en el grafeno. Ampliaremos estos estudios a nivel de simulación molecular cuántica (QM), ya que la polarización de las nubes de electrones pi no está incluida en los modelos clásicos.

Se ha predicho que las argininas (R) interactúan fuertemente con el grafeno, un resultado no trivial debido a la carga positiva de R. Buscamos validar estos estudios mediante ensayos de fisisorción por microscopía de fuerza atómica y cromatografía. Estos experimentos se realizarán en diferentes temperaturas para estimar las contribuciones entrópicas y entálpicas de la fisisorción DG.

De este modo buscamos desentrañar la interacción el aminoácido-CBN, en particular el par R-CBN, y conocer el DG y las fuerzas atomísticas que determinan estas interacciones.

Efectos de nanotubos en sensores de voltaje

Las Argininas, que en muchos casos son los determinantes moleculares del dominio de detección de voltaje (VSD), interaccionan fuertemente con las nanoestructuras de carbono, por lo que buscamos determinar la interacción arginina-nanotubo y sus consecuencias en los sensores de voltaje de canales iónicos como Hv1.

Los VSD se colocan dentro del núcleo de la membrana, por lo que son accesibles para el nanotubo de carbono (CBN) hidrofóbico. En consecuencia, es plausible que los CBN interactúen con los VSD, a través de las argininas (R), y perturbe la detección de voltaje. De esta manera, el canal HV1 se convierte en el sistema de prueba ideal, ya que es un VSD que conduce protones con R en él. A través de corrientes de activación de HV1 preincubado con CBN, en combinación con cálculos de energía libre de fisisorción (DG) vinculantes, exploramos si los CBN pueden unirse a VSD a través de R y modificar la detección de voltaje.

El filtro de selectividad (SF) en AQP también contiene una R, por lo tanto, a través del uso de CBN, desentrañaremos el papel de la arginina en la detección de voltaje de h-AQP4. A través de este objetivo, esperamos allanar el camino hacia la modulación de canales de membrana por CBN.

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