Viernes, 26 de mayo de 2017

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Investigación en biofísica: modelos sencillos para comportamientos complejos


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Proteínas y ácidos nucleicos son macromoléculas poliméricas (compuestos lineales yuxtaposición de elementos más sencillos: aminoácidos y bases, respectivamente) que constituyen la estructura del complejo comportamiento celular. La biología se preocupa de entender la función de estas moléculas dentro de la arquitectura celular. La función está estrechamente relacionada con la estructura de las moléculas biológicas. Watson y Crick expusieron desde el primer momento la evidente implicación de la estructura de doble hélice del ADN con su función de replicación de la información genética. Sin embargo, en los últimos años se ha fortalecido la idea de que, no sólo la estructura es necesaria para entender la función sino que la comprensión de los procesos dinámicos (movimientos) es imprescindible para poder entender en profundidad los procesos biológicos.

La descripción física de un sistema tiende a la simplificación, es decir, a modelar con el menor número de componentes posible. ¿Es compatible esta simplificación con la complejidad de los fenómenos que queremos describir? Sí, si somos capaces de definir claramente las componentes relevantes de nuestro problema. Dependiendo de la fenomenología (y con la ayuda de la evidencia experimental previa), podemos delimitar la escala y el rango de aplicación de nuestros modelos. Veamos esto con tres ejemplos en los que los modelos se plantean a escalas de descripción muy diferentes.

Motores Moleculares

 El transporte, dentro de la célula, de diversas sustancias se realiza mediante complejas proteínas. La estructura de algunas de ellas sólo se conoció a finales de los años 90. Estas proteínas viajan sobre largas estructuras lineales llamadas microtúbulos. Una característica interesante de estas proteínas (quinesinas y dineínas) son su movimiento unidireccional sobre el microtúbulo, de forma que sólo se desplazan en la dirección del crecimiento de éste (quinesinas) o en dirección opuesta (dineína). La estructura de estas proteínas consta de dos dominios (“cabezas”) que se enlazan entre sí mediante un dominio casi lineal (“cuello”) que conecta con la zona de enganche de los vesículas a transportar.

La comprensión de los mecanismos de transporte unidireccional ha sido objetivo de investigación básica tanto en física como en biología en los últimos 15 años. Nuestra contribución a este campo ha sido la elaboración de modelos sencillos que, con condiciones mínimas, presentan movimiento direccional. Hemos aproximado la compleja estructura de la proteína por un par de partículas unidas elásticamente (con lo que “simulamos” la estructura de dos cabezas unidas por el cuello) moviéndose sobre un potencial periódico que puede ser simétrico o asimétrico (y que representa la interacción de la proteína sobre el microtúbulo)

Sorprendentemente, el razonamiento sobre este tipo de modelos ha inspirado diseños novedosos en otros campos como la mecánica de fluidos, el diseño de dispositivos superconductores, etc. Es lo que se denomina actualmente “biologically inspired physics”. Para más informaciön: Web y documento

Modelo para la dinámica de ADN

Es bien conocida la estructura tridimensional de la molécula de ADN. La molécula consta de dos cadenas lineales enlazadas en la famosa estructura de doble hélice. Cada cadena está constituida por un esqueleto de grupos azúcar y fosfato a los que enlazan como grupos laterales las bases adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). La estructura de doble hélice esta determinada por la unión selectiva mediante enlaces de hidrógeno de los pares A-T y C-G. Las secuencia de bases a lo largo de la cadena determina la información que, mediante las reglas del código genético, codifica el enlace de aminoácidos para la formación de proteínas.

 

Este complejo mecanismo requiere que la información sea “leída”. Para ello es necesario que la cadena se abra de forma selectiva en aquellos puntos donde el ADN codifica la información genética útil. Para comprender mejor este y otros fenómenos estamos trabajando con modelos donde las bases se consideran objetos sin estructura acoplados entre sí elásticamente y con interacciones nolineales con las bases complementarias. Este modelo tiene su precedente en los modelos sencillos de polímeros que estudia la Física de la Materia Condensada. Con ellos estamos estudiando la transición de desnaturalización (separación de la doble hélice al aumentar la temperatura) así como las propiedades de otras estructuras que puede formar el ADN (como la “horquilla” de la figura). Un estudio interesante que estamos abordando, mediante simulación numérica, es el de las propiedades mecánicas frente a fuerzas externas. Esperamos que las simulaciones realizadas con estos modelos nos permitan diseñar procedimientos físicos para identificar sitios importantes dentro de la secuencia del genoma.

Dinámica molecular de proteínas

 Entender el funcionamiento de la función de las proteínas requiere, en muchos casos, el conocimiento de las posiciones de cada uno de los átomos que la constituyen y de sus cambios en función del tiempo. La estructura estática de las proteínas cristalizadas se puede determinar mediante experimentos de difracción de Rayos X. Sin embargo, la dinámica de la molécula es de difícil acceso experimental. Por ello, se han desarrollado refinadas técnicas numéricas para la simulación en distintas condiciones del movimiento de los átomos. Estas simulaciones con nivel de descripción atómica, requieren un gran esfuerzo computacional. Como ejemplo, podemos citar que el próximo superordenador de IBM (Blue Gene, que estará en funcionamiento en 2005) se va a dedicar en exclusiva a este tipo de cálculos para diseño de nuevos fármacos.

A una escala mucho más modesta, nuestro grupo está abordando la simulación del proceso de desplegamiento que se produce en determinadas proteínas por efecto de mutaciones. En particular estamos estudiando un módulo del receptor de la lipoproteína de baja densidad (r-LDL). Las mutaciones en esta proteína están relacionadas con la llamada hipercolesterolemia familiar, enfermedad genética que afecta a 1 de cada 500 personas en el mundo. En estas simulaciones somos capaces de ver la evolución temporal de la molécula mutada y calcular sus diferencias con la molécula sin mutar. Información sobre este trabajo

Finalmente, tenemos que resaltar que ésta es sólo una de las líneas de investigación de nuestro grupo, pero que representa un gran esfuerzo de formación multidisciplinar. En este aspecto tenemos que agradecer la colaboración con el grupo de “Estabilidad y Estructura de Proteínas” dirigido por el Profesor Javier Sancho, dentro del Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos.

Composición del Grupo de Física Estadística y No Lineal

Doctores

  • Dr. Luis Mario Floría Peralta. ( Profesor Titular de Universidad )
  • Dr. Fernando Falo Forniés. ( Profesor Titular de Universidad )
  • Dr. Pedro J. Martínez Ovejas. ( Profesor Titular de Escuela Universitaria )
  • Dr. Juan José Mazo Torres. ( Profesor Titular de Universidad )
  • Dr. José Luis García Palacios. ( Contratado Ramón y Cajal )

Personal en Formación:

  • Ldo. Santiago Cuesta López. (Becario FPU)
  • Ldo. Jesús Gómez Gardeñes. (Becario FPU)
  • Ldo.David Zueco Láinez . (Becario DGA).
  • Ldo.Diego Prada Gracia. (Becario FPI).

Proyectos de Investigación recientes:

  • LOCNET: Localisation by Nonlinearity and Spatial Discreteness, and Energy Transfer in Crystals, Biomolecules and Josephson arrays. CEE (RTN1-1999-00370).
  • Teoría y Simulación de Sistemas Complejos. MCYT ( BFM2002-00113).

Fecha Aragón Investiga: 27/05/2004


Ficheros adjuntos


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