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Latin American Conference on
Mathematical Modeling
of Biological Systems
Encuentros, desencuentros y reencuentros entre
la matemática aplicada y la biofísica experimental
Buenos Aires, 1 al 4 de Diciembre de 2015
Encuentros, desencuentros y reencuentros entre la matemática
aplicada y la biofísica experimental / F. Luis González Flecha, Karina
Alleva, Rodolfo M. González Lebrero, Leonardo Boechi, Patricio Craig
1a ed . - Buenos Aires : SAB - Sociedad Argentina de Biofísica, 2015.
Libro digital, PDF
Archivo Digital: descarga
ISBN 978-987-27591-5-5
1. Investigación. 2. Biofísica. 3. Matemática Aplicada. I. González Flecha,
F. Luis
CDD 510
Diagramación: Rodolfo M. González Lebrero
Quedan prohibidos, dentro de los límites establecidos en la ley y bajo los apercibimientos
legalmente previstos, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o
procedimiento, ya sea electrónico o mecánico, el tratamiento informático, el alquiler o
cualquier otra forma de cesión de la obra sin la autorización previa y por escrito de los titulares
del copyright.
La Biofísica es una actividad interdisciplinaria que requiere del aporte
simultáneo y coordinado de la Física, la Química, la Bioquímica y la
Biología, con la indispensable participación de la Matemática y la
Informática. Esto plantea la necesidad de impartir este carácter
interdisciplinario a la formación de doctores en Biofísica.
En América Latina existen reconocidos centros de Biofísica de alta
calidad, con un alto grado de complementariedad, y que en su conjunto
incluyen prácticamente todas las áreas de la Biofísica actual. Sin embargo el
desarrollo pleno de esta disciplina en la región se ve limitado por el parcial
aprovechamiento de la información experimental generada debido a una
segregación entre los grupos experimentales y los teóricos.
En 2006 se puso en marcha el Programa Latinoamericano de Posgrado en
Biofísica (POSLATAM) con el objetivo de promover al mismo tiempo la
formación interdisciplinaria de doctores y el establecimiento de redes
regionales. Las principales Universidades de nuestra región han adherido al
programa que es coordinado por la Federación Latinoamericana de
Sociedades de Biofísica (LAFeBS). Unos 25 doctores han completado su
formación en el marco del POSLATAM, constituyéndolo, según el informe
de la Unión Internacional de Biofísica Pura y Aplicada (IUPAB), en una de
las iniciativas regionales más exitosas. Actualmente unos 80 estudiantes de
doctorado de nuestro país, 200 de Brasil y alrededor de 30 de los otros
países miembros (Uruguay, Colombia, Venezuela) se han inscripto en el
programa y participan de las actividades regulares del mismo. Estas
actividades incluyen cursos de carácter general, así como talleres y
conferencias centradas en aspectos específicos de la Biofísica.
En este contexto, la presente Conferencia tiene por objetivo central
promover la necesaria interrelación entre la Matemática y la Biofísica.
Durante el encuentro se pretende llevar adelante una discusión fértil sobre
las distintas estrategias que hacen uso de modelos matemáticos para el
estudio de sistemas biológicos. Para esto se organizarán actividades donde
matemáticos y biofísicos presenten y discutan casos concretos desarrollados
en la región en los que el modelado matemático ha sido una herramienta
complementaria y potenciadora de los estudios experimentales.
Deseamos que esta reunión resulte enriquecedora en el plano científico,
que facilite el encuentro cordial y el intercambio entre colegas, y al mismo
tiempo que entusiasme a quienes se suman por primera vez a estas
reuniones.
Comisión Organizadora
MatBiofisica 2015
Comisión Organizadora
F. Luis Gonzalez Flecha.
Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas (UBA-CONICET) y Departamento de
Quimica Biológica, facultad de Farmacia y Bioquímica, UBA. Latin American Federation of
Biophysical Societies
Karina Alleva.
Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas (UBA-CONICET). y Departamento de
Fisicomatemáticas, facultad de Farmacia y Bioquímica, UBA. Sociedad Argentina de
Biofísica.
Leonardo Boechi.
Instituto de Calculo. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. UBA / Investigador Adscripto
CELFI-DATOS
Rodolfo M. González Lebrero.
Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas (UBA-CONICET) y Departamento de
Quimica Biológica, facultad de Farmacia y Bioquímica, UBA.
Patricio O. Craig.
Departamento de Quimica Biológica Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. UBA /
Investigador Adscripto CELFI-DATOS
Conferencias
Conferencia Inaugural
Allosterism and Structure in Thermally-Activated
Transient Receptor Potential channels
Ignacio Diaz-Franulic*$%, Horacio Poblete&, Germán Miño$%, Carlos
González% and Ramón Latorre%&
$
Center for Bioinformatics and Integrative Biology, Facultad de Ciencias Biologicas,
Universidad Andres Bello, Av. Republica 239, Santiago, Chile. %Centro Interdisciplinario de
Neurociencia de Valparaíso, Facultad de Ciencias, Universidad de Valparaíso, Valparaíso
2366103, Chile. *Fraunhofer Chile Research, Av. Mariano Sánchez Fontecilla 310, Las
Condes, Santiago. &Institute of Computational Comparative Medicine, Nanotechnology
Innovation Center of Kansas State, and Department of Anatomy and Physiology, Kansas State
University, Manhattan, Kansas, 66506-5802
The molecular sensors for temperature changes in living organisms are a
large family known as thermosensitive Transient Receptor Potential (TRP)
ion channels. These membrane proteins are polymodal receptors in the
sense that they can be activated by cold or hot temperatures, depending on
the channel subtype, voltage, and ligands. The stimuli sensors are
allosterically coupled to a pore domain, increasing the probability of finding
the channel in its ion conductive conformation. We will discuss the
allosteric coupling between the temperature and voltage sensor modules and
the pore domain, to then discuss the thermodynamic foundations of thermoTRP channel activation. A structural overview of the molecular
determinants of temperature sensing is provided. We also posit an
anisotropic thermal diffusion model that may explain the large temperature
sensitivity of TRP channels. Additionally, we discuss the effect of several
ligands on TRP channels function, and the evidence regarding their
mechanisms of action.
Conferencia Plenaria
Escuchando los sueños de un ave
1
G. B. Mindlin , Goller F.2
1
. Departamento de Fisica, FCEN, Universidad de Buenos Aires, Argentina. 2. University of
Utah, Biology Dept.
La actividad cerebral nocturna es importante para la construcción de la
memoria. Sin embargo, no se conocen exactamente a que corresponden los
patrones empleados en esa practica nocturna; la ausencia de un codigo
neuronal no permite traducir patrones arbitrarios a los correspondientes
emergentes comportamentales. En el caso del canto de las aves, mostramos
que la actividad muscular siringea refleja los patrones de actividad neuronal
generados durante la practica nocturna. Gracias a la existencia de modelos
matematicos del aparato vocal [1], es posible traducir dichas mediciones en
canto. Con esta metodologia, reconocemos no solo los patrones que se
asocian a practicas de canto diurno, sino que podemos cuantificar la
variabilidad de las practicas nocturnas. Mostraremos que estas practicas son
altamente variables, mucho mas de la esperable en un paradigma de
consolidacion [2].
[1] Amador, Ana, et al. "Elemental gesture dynamics are encoded by song premotor cortical
neurons." Nature 495.7439 (2013): 59-64.
[2] Brent K. Young, E. Arneodo, Gabriel Mindlin and Franz Goller," Variability not stereotype
characterizes night-time motor replay of birdsong", preprint 2015
Miniconferencia
Bioinformática bioinspirada
Diego Milone
sinc(i). Instituto de Investigación en Señales, Sistemas e Inteligencia Computacional, UNLCONICET, Santa Fe, Argentina. www.sinc.unl.edu.ar
Los avances técnicos logrados en los últimos años en genómica,
transcriptómica, proteómica y metabolómica, han aumentado
significativamente la cantidad de datos que los científicos y tecnólogos
pueden medir sobre diferentes aspectos de un organismo. Las diversas
tecnologías moleculares actuales permiten generar grandes volúmenes de
datos muy fácilmente, que luego hay que poder transformar en información
confiable. Además, estos datos tienen características adicionales que
dificultan su tratamiento, como la inherente complejidad de los procesos
biológicos que los generan, una cantidad significativa de ruido y datos
faltantes, gran desbalance entre clases y en algunos casos muy alta
dimensionalidad en pocas muestras, con distribuciones ralas. En estos datos
subyacen intrincadas relaciones internas, que hoy en día representan un gran
desafío en cuanto a su descubrimiento y posterior análisis. Una tendencia
actual es lograr la integración de diferentes tipos de datos biológicos para
poder poner de manifiesto relaciones ocultas entre ellos, que permitan
inferir nuevos conocimientos acerca de los procesos biológicos que los
involucran. Sin embargo, descubrir patrones ocultos en este tipo de datos es
actualmente un reto que pone en evidencia la necesidad de desarrollar
nuevos métodos computacionales para realizar automáticamente tareas
propias de la minería de datos, tales como su limpieza, la reducción y
selección características, integración de fuentes heterogéneas, agrupamiento
no-supervisado, clasificación semi-supervisada, descubrimiento de clases e
inferencia de relaciones. En esta presentación se describirán nuevos
modelos y algoritmos bioinspirados para hacer frente a estos desafíos en el
procesamiento y análisis de datos biológicos.
Miniconferencia
Nanocrystal diamonds and optical tweezers for
metrology in biological applications
Jerónimo Maze
Pontificia Universidad Católica, Santiago, Chile
Developing high sensitive devices for biological measurements might lead
to high impact applications such as early disease and toxic substance
detection. In this talk, recent progress towards this goal will be presented
using diamond nanocrystals as nanoscale sensors of biological properties
and using optical tweezers for the study of a red-tide related toxin. Color
centers in diamond have shown to have unique properties to explore
molecules and materials at the nanoscale. In particular the nitrogen-vacancy
color center in diamond or diamond nanocrystals are able to detect small
magnetic fields with unprecedented spatial resolution and sensitivity. They
can sense external perturbations such as electric field noise, temperature,
pH at ambient conditions. In particular, they are able to detect single
electronic and even single nuclear spins provided they are placed at a
distance of 10 nanometers. The properties of this color centers will be
introduced and their applications such as the creation of stable, non-toxic
color markers, and sensors able to detect the magnetic field emanated from
biological structures will be discussed. In addition, we report recent
progress in studying the mechanical properties of DNA aptamers related
with the red tide using optical tweezers. We have constructed a
macromolecule consisting of a lambda DNA sleeve – DNA aptamer –
lambda DNA sleeve. By attaching functionalized dielectric microspheres to
both ends of this macromolecule we study its mechanical properties using a
multiple-trap home-built optical tweezers. This result might be useful for
creating high sensitive devices of the red tide toxin.
Simposios
Simposio 1
Análisis de datos en detección de moléculas individuales
Pedro F. Aramendía
CIBION-CONICET. Godoy Cruz 2390. Dto Química Inorgánica. FCEN. UBA. Ciudad
Universitaria. Ciudad de Buenos Aires
Las medidas de moléculas individuales permiten, por una parte, tener
acceso a la distribución de propiedades y de dinámica moleculares en un
conjunto y por otra, la detección de comportamientos dinámicos que existen
en equilibrio, pero están enmascarados por el promedio del ensamble.
La detección de moléculas individuales en química requiere de la utilización
de herramientas matemáticas estadísticas. Por un lado, la detección es
intrínsecamente una discriminación de señal por sobre el ruido y por otro se
requiere de algoritmos de procesamiento que sean a la vez eficientes, libres
de resultado espurios y que provean de datos que sean estadísticamente
significativos. La simulación de los problemas es un arma fundamental que
nos da una visión general de los parámetros que afectan los resultados.
Para la detección de moléculas, para su seguimiento en el tiempo y para la
integración de los datos de los conjuntos de moléculas detectadas se usan
resolución de sistemas de ecuaciones maestras, cadenas de Markov,
métodos de Montecarlo, análisis de distribuciones complejas y de
correlación espacial y temporal que nos permiten detectar incluso eventos
muy minoritarios, pero de significado. Un panorama similar se presenta en
sistemas de nanopartículas, un sistema heterogéneo a nivel microscópico.
Brindaré ejemplos de resolución de sistemas de ecuaciones diferenciales en
sistemas heterogéneos, simulación de trayectorias temporales de espectros y
análisis por funciones de distribución aplicados a sistemas
compartimentalizados, dinámica en películas delgadas de polímeros y realce
del brillo molecular por nanopartículas metálicas.
Simposio 1
Siguiendo nanopartículas individuales en el interior
celular: mecanismos de difusión y de nanoconfinamiento
Laura Estrada
1
Laboratorio de Electrónica Cuántica, Departamento de Física, FCEN, UBA. IFIBACONICET. Pabellón 1 Ciudad Universitaria.
En los últimos años las técnicas de espectroscopía y seguimiento de
partículas individuales se han convertido en herramientas fundamentales
para cuantificar la dinámica de muy diversos procesos biológicos. Sus
principales virtudes radican en la posibilidad de extraer información libre
del promediado inherente a las mediciones realizadas sobre un conjunto
enorme de partículas. Si bien estos métodos fueron utilizados por primera
vez en la década del 80, el número de aplicaciones ha crecido
significativamente en los últimos años. Las razones son muchas, pero los
avances en las técnicas de microscopía y de etiquetado molecular han sido
fundamentales en este crecimiento. En experimentos en donde una única
partícula es estudiada a la vez, es evidente que la información solo será
significativa a partir de un análisis cuidadoso de muchísimos eventos
individuales. En este sentido, la relación que en los últimos tiempos se está
dando entre la matemática, la biología y la física ha sido importantísima
para estudiar procesos cada vez más complejos.
En esta charla voy a comentar algunos de los métodos basados en la
determinación de la posición de una única nanopartícula que estamos
actualmente utilizando en nuestro laboratorio. Como ejemplo de las
aplicaciones posibles discutiré que tipo de información podemos obtener del
seguimiento (por horas!) de nanopartículas de oro individuales difundiendo
en el interior de células vivas.
Simposio 1
Modelando la cinética de canales iónicos como
procesos Markovianos
Luciano Moffatt
INQUIMAE, FCEN, UBA
Los canales iónicos son proteinas integrales de membrana que regulan el
pasaje de iones de un lado al otro de la membrana. El estudio de la cinética
de los canales iónicos es importate por varias razones. Por un lado, un
modelado realista del procesamiento de la información a nivel sináptico
implica necesariamente entender como procesan la información estas
máquinas moleculares. Por otro lado, desde el punto de vista biofísico,
entender el mecanismo por el cual los canales ionicos se activan ante la
unión al ligandos permitirá en un futuro el diseño de máquinas moleculares
para discriminar moléculas arbitrarias. La cinética de estos canales puede
aproximarse como un proceso Markoviano. Según este enfoque, estas
proteínas adoptarían un número finito de conformaciones caracterizadas por
su relativa estabilidad, su conductancia y la unión o no a distintas moléculas
moduladoras. Una aproximación un tanto más interesante consiste en
hipotetizar varios procesos markovianos que se acoplan alostéricamente.
Este es un enfoque que hemos aplicado exitosamente para los receptores
purinérgicos P2X2.
Hay dos problemas abiertos en los cuales el conocimiento de la cinética de
canales iónicos es central. Por un lado, como entender la relación entre la
dimensión estocástica y los mecanismos de procesamiento de la
información en el sistema nervioso. Esta estoscasticidad se da a nivel de los
cambios conformacionales de los canales ionicos así como de la difusión de
los neurotransmisores. Por otro lado, entender los mecanismos moleculares
que restringen los cambios conformaionales posibles de estas proteinas a
aquellos que permiten un adecuado procesamiento de la información. En los
ultimos años se han obtenido las estructuras tridimensionales de distintos
canales iónicos, por lo que es posible empezar a explorar estos mecanismos
mediante las simulaciones de dinámica molecular.
Simposio 1
Estudios mecánicos y funcionales de biomoléculas a nivel de
moléculas individuales (Mechanical and functional studies
of biomolecules at single molecule)
Christian A.M. Wilson1, Sam L. Leachman3, Susan Marqusee3, Carlos
Bustamante3, Jorge Babul2
1,
Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas, Departamento de Bioquímica, Universidad
de Chile. 2,Facultad de Ciencias, Departamento de Biología, Universidad de Chile. 3University
of California at Berkeley.
Dentro de la célula se generan fuerzas mecánicas en muchos procesos
moleculares fundamentales. Los recientes avances tecnológicos han
permitido la aplicación y medición de fuerzas sobre biomoléculas con
extrema precisión. Entre estos instrumentos se encuentran las pinzas ópticas
(PO) y magnéticas. En este trabajo hemos estudiado el efecto del sustrato
sobre el estado de plegamiento y desplegamiento de la proteína
glucoquinasa (GK) y adenilato quinasa (AQ) a través de pinzas ópticas y de
un instrumento combinado de pinzas magnéticas con fluorescencia,
observando una molécula a la vez. La GK y AQ son enzimas monoméricas
que unen nucleótidos lo que hace que sean buenos modelos para el estudio a
nivel de moléculas individuales y el efecto del sustrato. Con las PO se
puede ejercer fuerzas a través del atrapamiento de una esfera de poliestireno
con luz, la cual tiene atrapada una proteína entre esta esfera y otra atrapada
en una micropipeta. En el caso de la glucoquinasa se determinó a través de
PO que el estado plegado de la proteína es estabilizado por el sustrato sin
ejercer efectos en la distancia entre el estado nativo y el estado de transición
de la reacción de desplegamiento. Las resolución de las PO no llegan a
menos de 1 μm, por lo cual hemos realizado un instrumento que combina
pinzas magnéticas con fluorescencia de reflexión interna total. Este
intrumento determina las fluctuaciones directamente desde la biomoléculas
a través de FRET (transferencia de energía de resonancia de Forster) y se
puede ejercer fuerza utilizando una esfera ferromagnética y un imán y con
la fluorescencia se determinan distancias menores a 1 μm en el instrumento.
En la presentación se mostrarán los tipos de datos que se obtienen a partir
de este instrumento y el análisis de las fluctuaciones de las proteínas.
Simposio 2
Motores moleculares y transporte intracelular: la unión
hace la fuerza
Cecilia De Rossi1*, Valeria Levi1*, Diana Wetzler1*, M. Emilia De Rossi2,
Mariela Sued3, Daniela Rodriguez3 and Luciana Bruno4*
1
Universidad de Buenos Aires, FCEyN, Depto. de Química Biológica. Buenos Aires.
Argentina. 2 Instituto de Astronimía y Física del Espacio, CONICET, Buenos Aires. Argentina.
3
Universidad de Buenos Aires, FCEyN, Instituto del Cálculo Buenos Aires. Argentina.
4
Universidad de Buenos Aires, FCEyN, Depto. de Física & IFIBA-CONICET, Buenos Aires.
Argentina. * Grupo de Dinámica y Transporte Intracelular http://www.gdti.df.uba.ar/.
e-mail: [email protected]
La organización del citoplasma es regulada por motores moleculares que
transportan organelas, vesículas y endosomas a lo largo de microtúbulos y
filamentos de actina. Estas cargas son transportadas activamente por grupos
de motores. Sin embargo, los mecanismos que controlan el comportamiento
colectivo de dichos motores aún no han sido completamente revelados.
En nuestro laboratorio usamos técnicas de seguimiento de partícula única
que nos permiten recuperar las trayectorias de organelas individuales
durante su movimiento en el citoplasma de células vivas con precisión
namométrica y resolución temporal de unos pocos milisegundos. En este
trabajo mostraremos cómo el análisis estadístico de trayectorias
individuales puede revelar aspectos clave del comportamiento colectivo de
los motores en su entorno fisiológico, así como de las propiedades
mecánicas de la unión motor-citoesqueleto.
Referencias:
[1] De Rossi, C., et al. FEBS Lett. 589, 2763–2768, 2015
[2] De Rossi, C., et al. BBAGen 1830 5095–5103, 2013
Simposio 2
¿Cuántas gaussianas hay?
Mariela Sued y Yamila Barrera
Instituto de Cálculo, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales - Universidad de Buenos Aires,
Argentina
En diversas instancias experimentales, la distribución de los datos presenta
una estructura multi-picos. Esta característica puede indicar la presencia de
sub-plobaciones dentro del sistema en estudio, cada una de ellas
concentrada alrededor de los diferentes picos, invitando a elaborar hipótesis
que permitan explicar el comportamiento observado.
En este contexto, resulta importante disponer de procedimientos que
permitan diferenciar picos de ruido.
En esta charla mostraremos cómo los métodos de selección de modelos
permiten determinar la cantidad de sub-ploblaciones presentes en la muestra
Simposio 2
Microscopía de Fuerza de Tracción: una nueva
herramienta para cuantificar interacciones célula-sustrato
Lorena Sigaut 1, Micaela Bianchi2, Lía I. Pietrasanta1,2
1
Departamento de Física, FCEN-UBA & IFIBA, CONICET
Avanzadas
2
Centro de Microscopías
Las células detectan, procesan y traducen la información mecánica que es
proporcionada por el medio ambiente extracelular para tomar decisiones
sobre el crecimiento, la motilidad y la diferenciación. Para ello, las células
sensan activamente la rigidez de su entorno, ejerciendo fuerzas de tracción a
través de estructuras especializadas denominadas adhesiones focales, que
unen físicamente componentes del citoesqueleto con la matriz extracelular.
Las fuerzas de tracción son cruciales para el mantenimiento de la forma
celular, la migración y la mecanotransducción; y juegan un rol importante
en muchos procesos biológicos, como por ejemplo cicatrización,
inflamación, embriogénesis o metástasis. Contar con una herramienta, con
la sensibilidad capaz de medir las fuerzas de tracción ejercida por las células
es fundamental para estudiar dichos procesos.
En ese sentido, la Microscopía de Fuerza de Tracción1 (TFM) es una técnica
que permite cuantificar las fuerzas de tracción generadas por una célula
adherida a un sustrato elástico, a partir del análisis de imágenes de
nanomarcadores fluorescentes embebidos en el sustrato que actúan como
referencia. En esta charla se presentará el análisis de TFM aplicado a células
de epitelio mamario de ratón cultivadas en diferentes sustratos con el fin de
estudiar los efectos de la elasticidad del sustrato en la generación de fuerzas.
Si el sustrato es suficientemente blando, la tensión que ejerce la célula lo
deforma entre decenas y centenares de nanómetros, y mediante el análisis
de velocimetría por imágenes de partículas 2 (PIV), es posible calcular el
campo de deformaciones del sustrato a partir de las imágenes de
fluorescencia. Para obtener las fuerzas de tracción es necesario resolver un
problema inverso de mecánica de medios continuos, en este caso se emplea
un método de Regularización de Tikhonov 3 para estimar los mapas de
fuerzas de tracción, a partir de la deformación del sustrato y sus propiedades
elásticas.
[1] Dembo M., et al. Biophys. J. 70: 2008-2022, 1996. [2] Sveen J. K. (2004) An introduction
to MatPIV v.1.6.1. In eprint series. ISSN 0809-4403. [3] Hansen P. C., Numerical Algorithms
46 (2):189-194, 2007. Han S.J., et al. Nat Methods. 12(7):653-6, 2015.
Agradecimientos: Este trabajo fue financiado por ANPCyT, CONICET y UBA.
Simposio 3
Reacciones en equilibrio en ciclos catalíticos mediados por
enzimas. El ejemplo de la Na,K-ATPasa
M. Centeno, M. M. Ferreira Gomes, M. R. Montes, y R. C. Rossi
Departamento de Química Biológica, Facultad de Farmacia y Bioquímica, Universidad de
Buenos Aires; Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas (UBA-CONICET). Junín 956,
1113 Ciudad Autónoma de Buenos Aires
En el estudio cinético de una enzima se intenta describir cualitativa y
cuantitativamente las reacciones elementales del ciclo catalítico. Para ello,
se miden velocidades de aparición de productos y consumo de reactivos, y
la concentración de intermediarios enzimáticos, tanto en condiciones de
estado estacionario como en fase transitoria y en equilibrio termodinámico.
Paralelamente se generan modelos del ciclo catalítico y se verifica su
capacidad de describir los resultados obtenidos y predecir nuevos
resultados.
En ocasiones, algunas reacciones elementales del ciclo pueden ser
consideradas en la condición de “equilibrio rápido”, es decir, la distribución
de los intermediarios involucrados puede calcularse a partir de las
constantes de velocidad con que éstos se interconvierten, sin tener en cuenta
las velocidades de las demás reacciones del ciclo. El desarrollo de las
ecuaciones para ciclos que incluyen pasos en equilibrio rápido se simplifica
notablemente, y el significado de los resultados es más fácil de interpretar 1.
Sin embargo, para que la interpretación sea válida debe verificarse el
supuesto de que tales reacciones realmente ocurran en equilibrio, ya que de
lo contrario podrían obtenerse conclusiones erróneas.
En este trabajo se muestran: (i) los requisitos que deben cumplirse para que
un paso elemental pueda considerarse en la condición de equilibrio rápido,
(ii) un ejemplo proveniente de resultados obtenidos en la Na,K-ATPasa en
el que esta suposición parece ser válida 2, y (iii) resultados publicados en los
cuales se supuso erróneamente que el ATP se une en equilibrio rápido al
sitio catalítico de la Na,K-ATPasa, lo que condujo a proponer un modelo
distinto al actualmente aceptado.
[1] Sungman Cha (1968) J Biol Chem 243: 820-825
[2] Mónica R. Montes, et al. (2015) Biochim Biophys Acta 1848: 1514-1523
Con subsidios de CONICET (PIP 0706), ANPCyT (PICT 1053) y UBACyT (Q302)
Simposio 3
Explorando el mecanismo catalítico de peroxirredoxinas
y su especificidad por sustrato oxidante
Ari Zeida1, Aníbal M. Reyes2, Pablo Lichtig1, Mariano Gonzalez-Lebrero3,
Diego Vazquez3, Javier Santos3, Luis Gonzalez-Flecha3, Rafael Radi2, Darío
Estrin1, Madia Trujillo2
1
DQIAyQF and INQUIMAE-CONICET, FCEN-UBA, Buenos Aires, Argentina, 2Departamento
de Bioquímica, Centro de Investigaciones Biomédicas, Facultad de Medicina-Universidad de
la República, Uruguay, 3DQB and IQUIFIB-CONICET, FFBQ-UBA, Buenos Aires, Argentina.
Las peroxirredoxinas son peroxidasas dependientes de tioles que participan
en la detoxificación de peróxidos así como en la señalización redox celular.
El tiol peroxidático (S-P) de estas enzimas reduce diferentes peróxidos,
incluyendo peróxido de hidrógeno, hidroperóxidos orgánicos y
peroxinitrito, con constantes de velocidad varios órdenes de magnitud más
rápidas que la mayoría de otros tioles. Esto no se debe al bajo pKa del tiol
peroxidático, que proporciona una mayor disponibilidad de tiolato a pH
fisiológico, que sólo podría incrementar hasta 10 veces la reactividad
respecto a cisteína libre. Para explicar la catálisis de reducción de peróxidos
por S-P en peroxirredoxinas, realizamos un abordaje experimentalcomputacional utilizando como modelo la alquil hidroperóxido reductasa E
(AhpE) de Mycobacterium tuberculosis. Los parámetros de activación para
la reducción de peróxido de hidrógeno (H2O2) son compatibles con
simulaciones QM-MM que indicaron la formación de un estado de
transición altamente ordenado por la formación de una red de puentes de
hidrógeno involucrando residuos importantes para la catálisis. Por otra
parte, la selectividad por sustrato oxidante para diferentes peroxirredoxinas
no sigue la tendencia esperada, y es remarcablemente distinta para las
diferentes subfamilias. Entre estas, AhpE es particularmente rápida en la
reducción de hidroperóxidos de ácidos grasos (AG-OOH), con parámetros
de activación indicativos de una contribución entrópica importante en la
catálisis. La porción no reactiva de estos sustratos interacciona con un surco
hidrofóbico en la superficie enzimática posicionando el enlace peroxilo y
produciendo cambios en la dinámica proteica.
Simposio 3
Métodos algebraicos para el estudio de redes de
reacciones bioquímicas
Alicia Dickenstein
Departamento de Matemática, FCEN, UBA e IMAS(UBA-CONICET)
Resumen del trabajo. En los últimos años, distintos autores han comenzado
a utilizar métodos algebraicos para el estudio de redes de reacciones
bioquímicas, que permiten obtener conclusiones sobre invariantes de los
estados estacionarios directamente de la estructura de la red, sin requerir
simulaciones [1-4]. Estos invariantes codifican propiedades claves de la red
y permiten al modelador discriminar entre distintas estructuras. En esta
charla voy a explicar algunas de estas herramientas y ejemplificarlas en
redes enzimáticas utilizadas comúnmente.
[1] M. Pérez Millán, A. Dickenstein, A. Shiu, C. Conradi. Bull. Math. Biol.74(5):1027-1065,
2012.
[2] R. Karp, M. Pérez Millán, T. Dasgupta, A. Dickenstein, J. Gunawardena. J. Theor. Biol.
311:130-138, 2012.
[3] E. Feliu, C. Wiuf. J. R. Soc. Interface 10:20130484, 2013.
[4] S. Müller, E. Feliu, G. Regensburger, C. Conradi, A. Shiu, A. Dickenstein. Found. Comp.
Math., 10.1007, 2015.
Agradecimientos: Agradecemos la financiación de los proyectos UBACYT 20020100100242,
CONICET PIP 11220110100580 y ANPCyT PICT 2013-1110, Argentina.
Simposio 3
¿Cuándo vale la pena apurarse? Utilización de información
pre-estado-estacionario en señalización celular
Alejandra C Ventura.
Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias (IFIByNE, UBA-CONICET).
Los receptores de membrana miden señales o estímulos que desencadenan
actividad en las rutas de señalización celular, esta actividad tiende a
producir una respuesta al estímulo. La curva estímulo-respuesta resume
propiedades importantes del sistema de señalización. Para algunos sistemas,
estas curvas garantizan respuestas graduales sobre un amplio rango de
estímulos, en otros casos, las respuestas son del estilo todo-o-nada,
permitiendo pasar de baja a alta respuesta en un rango muy acotado de
estímulos. Muchas preguntas fundamentales en biología se reducen a la
comprensión de estas curvas estimulo-respuesta. Por otro lado, se sabe que
la respuesta de un sistema biológico a distintas condiciones externas es un
proceso dinámico. El “camino” que el sistema de señalización recorre hasta
llegar a su estado estacionario depende de la estructura de la red estimulada,
de los parámetros cinéticos que caracterizan a esta red, y del tipo
(intensidad y perfil temporal) de estímulo.
Estas dos nociones, curvas estímulo-respuesta y la dinámica involucrada en
llegar al estado estacionario, no están integradas en la literatura.
Exactamente esa conexión es el foco de esta charla: estudiar cómo las
curvas estímulo-respuesta de distintos sistemas de señalización celular
evolucionan en el tiempo y qué ventajas confiere ese proceso dinámico. En
particular, nuestro trabajo se aplica a sistemas que necesitan adaptar su
rango dinámico (el rango de estímulos para los cuales el sistema puede
generar respuestas distinguibles) de acuerdo a diferentes escenarios.
Nuestros resultados muestran que para ciertas componentes recurrentes en
las rutas de señalización celular, la curva estímulo-respuesta se “desplaza”
de derecha izquierda en el tiempo, es decir que estas curvas tienen mayor
concentración efectiva media antes de llegar a su estado estacionario.
También hay un efecto dinámico en la pendiente de las curvas, que se
relaciona con la capacidad de responder en forma gradual o tipo todo-onada a un estímulo. Nuestro trabajo indica que los sistemas con esta
propiedad pueden aprovechar la dinámica de llegada al estado estacionario
para señalizar en diferentes modos y adaptarse a distintas condiciones
externas.
Simposio 4
Molecular Dynamics Simulations: Modeling
Experimental Observables Accurately
Munir S. Skaf
Institute of Chemistry, University of Campinas – UNICAMP. Campinas, SP, Brazil
In this talk, I will present a short account on the physical basis underlying
the molecular dynamics simulation technique, which is widely applied in
many branches of the computational molecular sciences, including (but not
limited to) condensed matter physics, material sciences, chemistry and
physics of liquids, biophysical chemistry, structural molecular biology and
more. Emphasis will be given on how experimental observables can be
accurately computed using molecular dynamics computer simulations.
Simposio 4
Un modelo cuantitativo para la toma y liberación de
oxígeno en una familia de hemoproteínas
María E. Szretter
Instituto de Cálculo, Universidad de Buenos Aires, Argentina / Departamento de Matemática,
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Unviersidad de Buenos Aires, Argentina
Las hemoproteínas poseen muy diversas funciones que en gran medida
dependen de la tasa a la cual toman o liberan pequeños ligandos, tales como
el oxígeno. En esta charla mostraré un modelo fisicoquímico que utiliza
datos obtenidos de simulaciones computacionales para describir la toma y
liberación de oxígeno en una familia de hemoproteínas. Centraré la charla
en el análisis estadístico utilizado para mostrar la buena correlación
obtenida entre nuestro modelo y los valores experimentales, que nos
permitió determinar los factores principales que regulan estos procesos en
esta familia de proteínas. Discutiré también la posibilidad de extrapolar el
modelo hacia otros miembros de la misma familia.
Simposio 4
Análisis de simulaciones de dinámica molecular por el
método WHAM
Mauricio P. Sica
CONICET. Laboratorio de Bioenergías, IEDS, Centro Atómico Bariloche, CNEA. Instituto
Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo, San Carlos de Bariloche, Río Negro.
La simulación computacional de la reacción de plegado proteico requiere el
desarrollo de campos de fuerza y la aplicación de estrategias que permitan
explorar de manera extensiva el espacio de conformaciones accesibles
asociado a una proteína. Sin embargo, estas herramientas generan una gran
cantidad de información cuyo análisis se vuelve un desafío. En esta charla
presentaremos la aplicación del análisis de dinámicas moleculares por el
método de histogramas ponderados1 (o WHAM de weighted histogram
analisis method). A partir de resultados de simulaciones de dinámica
molecular de proteínas utilizando campos de fuerza nativos, eligiendo
distintas coordenadas de reacción, este método permite obtener diagramas
de energía en una o dos dimensiones correspondientes a la reacción de
plegado proteico. Con esta metodología se ha logrado predecir la presencia
de intermediarios o evaluar el impacto de ciertos aminoácidos en el estado
de transición para el plegado de diversas proteínas.
[1] Kumar, S. et al. Journal of Computational Chemistry, 1992, 13, 1011-1021
Agradecimientos: CONICET, CNEA.
Simposio 5
Observation and modeling of luminal Ca2+
dynamics during IP3R mediated Ca2+ signals
Lucía López, Silvina Ponce Dawson
Departamento de Física (FCEN-UBA) and IFIBA (CONICET-UBA)
The role of cytosolic Ca 2+ on the kinetics of Inositol 1,4,5-triphosphate
receptors (IP3Rs) and on the dynamics of IP3R-mediated Ca 2+ signals has
been studied at large both experimentally and by modeling. The role of
luminal calcium has not been investigated with that much detail although it
has been found that it is relevant for signal termination in the case of Ca 2+
release through ryanodine receptors. In this work we present the results of
observing the dynamics of luminal and cytosolic Ca 2+ simultaneously in
Xenopus Laevis oocytes. Combining observations and modeling we
conclude that there is a rapid mechanism that guarantees the availability of
free Ca2+ in the lumen even when a relatively large Ca 2+ release is evoked.
Comparing the dynamics of depletion and re-uptake we estimate that they
are consistent with an 80% of luminal Ca2+ being buffered. The rapid
availability of free luminal Ca2+ correlates well with the area to volume ratio
of the space occupied by the lumen that we observe in the experiments.
Simposio 5
Procesamiento del tiempo en el cerebro en el rango de las
centenas de milisegundos y pocos segundos
Rodrigo Laje
Departamento de Ciencia y Tecnología, Universidad Nacional de Quilmes, Argentina.
CONICET, Argentina
La capacidad del cerebro de medir el tiempo y procesar información
temporal es crítica para una gran cantidad de aspectos del procesamiento
sensorial y motor, el aprendizaje, el comportamiento y la cognición en
general. Sin embargo, al contrario de lo que ocurre en los ritmos circadianos
y los tiempos de microsegundos, el modo en que el cerebro codifica el
tiempo en el rango intermedio de las centenas de milisegundos y pocos
segundos es una de las cuestiones menos comprendidas de la neurociencia 1.
En esta charla voy a mostrar modelos matemáticos exitosos tanto a nivel
comportamental2 como a nivel de redes neuronales3,4 que sugieren que el
procesamiento del tiempo en el cerebro en este rango es intrínsicamente no
lineal. En particular, los modelos de redes neuronales sugieren que el
procesamiento es local (por lo tanto las diversas formas de tiempo sensorial
y de tiempo motor podrían depender de circuitos diferentes) y que en una
tarea espaciotemporal los aspectos puramente temporales y los puramente
espaciales están entrelazados.
[1] Ivry RB & Spencer RMC. Curr Op Neurobiol 14:225-232, 2004.
[2] Bavassi ML, Tagliazucchi E, & Laje R. Hum Mov Sci 32:21-47, 2013.
[3] Laje R & Buonomano DV. Nat Neurosci 16:925-933, 2013.
[4] Buonomano DV & Laje R. Trends Cogn Sci 14:520-527, 2013.
Agradecimientos: Comisión Fulbright, The Pew Charitable Trusts, Fundación Bunge y Born,
CONICET, Universidad Nacional de Quilmes.
Simposio 5
¿Como definir y detectar oscilaciones autónomas a
nivel celular?
Luis Morelli
Departamento de Física, FCEN, UBA. Instituto de Fisica de Buenos Aires (IFIBA-CONICET).
Durante el desarrollo embrionario de los vertebrados, el eje que va de la
cabeza a la cola se divide en segmentos que luego formarán las vértebras y
otros tejidos. Estos segmentos se forman uno a uno, con un ritmo muy
preciso. ¿Cómo se genera y controla éste ritmo? Se piensa que a nivel
celular, un circuito genético produce oscilaciones bioquímicas en las
concentraciones de ciertas proteínas. A nivel local, las células se comunican
y sincronizan sus oscilaciones. Esta oscilación colectiva genera ondas de
expresión genética que atraviesan un tejido indiferenciado y dan lugar a los
segmentos. Pero, ¿Son autónomas las oscilaciones genéticas a nivel celular?
Contaré un intento de responder a ésta pregunta, utilizando un abordaje
interdisciplinario que combina experimentos y teoría.
Simposio 6
Traduciendo ideas sistémicas al lenguaje matemático
para resolver un problema biotecnológico
Luis Acerenza
Laboratorio de Biología de Sistemas, Facultad de Ciencias, Universidad de la República,
Montevideo, Uruguay
Con el desarrollo de la ingeniería genética es posible modificar los genomas
en forma pre-establecida. Sus herramientas se emplean para cambiar las
concentraciones intracelulares de enzimas, con el fin de incrementar la
producción de sustancias de interés industrial o farmacéutico. El problema
consiste en determinar cuáles enzimas hay que modificar para aumentar el
flujo que produce la sustancia. Este no es un problema trivial ya que la
mayor parte de las enzimas tienen muy poco o ningún efecto sobre el flujo.
Un abordaje sistémico del mismo consiste en redefinir la red de reacciones
en términos de módulos, unidos por metabolitos de enlace. Cada módulo
opera como una super-reacción catalizada por un gran número de enzimas.
Ahora, debemos determinar qué módulo hay que modificar para aumentar el
flujo. Responder esta pregunta requeriría estudiar el efecto que tiene
aumentar todas las velocidades del módulo por el mismo factor,
procedimiento que para módulos grandes es imposible de realizar
experimentalmente. ¿Existe una forma más simple de manipular el sistema
que sea equivalente a aumentar todas las velocidades? La intuición nos
sugiere agregar una nueva reacción que transforme los metabolitos de
enlace que entran en los que salen, en las mismas proporciones que en el
módulo original, experimento que tampoco es posible. Lo que sí es factible,
empleando la biología sintética, es agregar una reacción auxiliar
independiente a cada metabolito de enlace, que produzca el mismo efecto
que la nueva reacción. En la charla mostraremos una representación
matricial de la red metabólica que permite calcular las reacciones auxiliares
que producen un efecto equivalente a aumentar todas las velocidades del
módulo por el mismo factor1. Se demuestra que el resultado es válido para
redes que presentan cualquier tamaño, estructura, leyes de velocidad,
conservación de metabolitos, interacciones entre módulos y tamaño en las
perturbaciones.
[1] Acerenza L, Monzon P & Ortega F (2015) Biotechnol Prog 31:656-667.
Simposio 6
¿Ser o no ser? Diversidad en el destino celular usando
modelos matemáticos y experimentos
Nara Guisoni
Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLYSIB), CONICET-CCT La Plata,
Departamento de Ciencias Biológicas, Facultad de Ciencias Exactas, UNLP
Las células madre tienen la capacidad de dividirse y diferenciarse en células
del tejido en que se encuentran y son fundamentales en el mantenimiento y
reparación de tejidos. Si el equilibrio dinámico entre proliferación y
diferenciación de las células madre no es preciso, se puede generar una
enfermedad proliferativa o pérdida de la funcionalidad del órgano. En varios
sistemas la decisión del destino celular (¿diferenciarse o mantener la
identidad de célula madre?) es definida por la inhibición mutua entre células
vecinas a través de la vía de señalización de Notch. Usualmente, los
modelos matemáticos para la interacción Notch-Delta resultan
invariablemente en un quiebre de simetría entre estados de señalización, es
decir, a partir de dos células madre siempre se obtienen destinos diferentes:
una de ellas mantiene la identidad de célula madre y la otra se diferencia.
Incorporando variabilidad poblacional en el modelo usual de Notch-Delta
para pares de células, mostramos que dos células madre vecinas pueden
alcanzar destinos asimétricos (célula madre - célula diferenciada) pero
también destinos simétricos (dos células madre o dos células diferenciadas).
Utilizamos el modelo en el tejido del intestino de la Drosophila
melanogaster (la mosca de la fruta), que es un sistema privilegiado para el
estudio de células madre, ya que tiene muchos aspectos similares al
intestino de mamíferos pero es mucho más sencillo. En este tejido, el
modelo es capaz de explicar distribuciones poblacionales observadas en
experimentos. Además, a la luz de los resultados del modelo, verificamos
experimentalmente que el área de contacto entre células no diferenciadas
juega un rol importante en la definición del destino celular.
Simposio 6
Modelos matemáticos para el crecimiento de tumores
Turner Cristina
Centro de investigaciones y estudios de matemática. UNC, Córdoba
En esta charla comentaré algunos de los modelos matemáticos para el
crecimiento de tumores basados en la teoría del cambio de pH debido al
proceso de glicólisis aumentando por la presencia de células tumorales.
Mostraré como estimar parámetros fundamentales de este proceso a través
de técnicas de optimizaron no lineal y las simulaciones numéricas para
resolver los problemas de PDE planteados.
Simposio 6
Explorando genomas y proteomas mediante modelos de
máxima entropía
Teresa Krick 1, Michael Shub 2, Ignacio Enrique Sánchez 3
1
Departamento de Matemática, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, IMAS-CONICET,
Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina.
2
IMAS-CONICET, Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina.
3
Protein Physiology Laboratory, Departamento de Química Biológica, Facultad de Ciencias
Exactas y Naturales, IQUIBICEN-CONICET, Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires,
Argentina.
Buscamos explicar las abundancias relativas de codones y aminoácidos en
una base de datos de más de mil organismos. Tomamos de la termodinámica
de ácidos nucleicos y proteínas principios generales que puedan unificar el
comportamiento de múltiples organismos, como los flujos metabólicos y la
estabilidad conformacional. Usamos un modelo de máxima entropía de dos
capas para unir las restricciones correspondientes a codones y aminoácidos
en una descripción integrada, que describe las abundancias relativas de
estos componentes celulares con una precisión no alcanzada hasta la fecha.
Posters
Estudio del efecto de la temperatura en la
solvatación en agua de oligómeros de óxido de
polietileno y oxido de polipropileno mediante
simulaciones computacionales
1
Albano, Juan M.R.1, Pickholz Monica A.1
1
NANOBIOTEC. UBA-CONICET. E-mail: [email protected]
Los poloxámeros son co-polímeros tri-bloque caracterizados por su balance
hidrofílico-hidrofóbico. Los mismos están compuestos por una cadena
central hidrofóbica de óxido de polipropileno (PPO) en cuyos extremos se
encuentran cadenas hidrofílicas de óxido de polietileno (PEO).La capacidad
de respuesta a la temperatura para estos polímeros está bien documentada 1
pero poco se sabe sobre la base molecular de este fenómeno. En este trabajo
procedemos a estudiarlo mediante simulaciones de Monte Carlo (MC) 2 y
Dinámica Molecular (MD). Se realizaron simulaciones a cinco distintas
temperaturas de pequeñas cadenas oligomericas de PPO y PEO. El método
estocástico de MC fue usado considerando las cadenas completamente
rígidas mientras que para las simulaciones con MD se consideraron las
moléculas flexibles. Cuantificamos la formación de puentes hidrogeno y la
distribución del solvente alrededor del polímero en función de la
temperatura. Si bien se pudieron observar diferencias en la accesibilidad del
solvente entre PPO y PEO, no hubo diferencia estadísticamente significativa
con respecto a los puentes hidrogeno. Motivados por estas observaciones
realizamos simulaciones MD con múltiples cadenas oligoméricas (20) con
un incremento progresivo de la temperatura. Además de poder cuantificar
un descenso de la formación de puentes hidrógenos totales a medida que la
temperatura aumentaba, también pudimos observar diferentes arreglos de
las cadenas oligoméricas y puentes puente hidrogeno.
Con estas
simulaciones fuimos capaces de modelar importantes interacciones que nos
permiten entender mejor el proceso termo-sensitivo de estos polímeros.
[1] S. Chen et al(2006) 32:5, 409-418, DOI: 10.1080/0892702060071710
[2] K. Coutinho and S. Canuto; DICE(v2.9): A Monte Carlo program for molecular liquid
simulation, University of Sao Paulo, Brazil (2013)
Agradecimientos: CONICET- ANPYCT-UBA-USP
Caracterización de propiedades de entradasalida de información de sistemas capaces de
generar respuestas transitorias en señalización
celular
2
Lucas Alonso1,2, Alejandra Ventura1, Alejandro Colman-Lerner, 1
1,2,3
Instituto de Fisiología, Biología celular y Neurociencias (UBA-CONICET), 2Departamento
de Física (FCEyN, UBA)
Se conoce como adaptación a la habilidad de un sistema de responder frente
a un estímulo y luego volver a su estado original. Esta propiedad es
fundamental en varios procesos de señalización celular para que la célula
pueda adaptarse a cambios en su entorno garantizando su supervivencia.
Algunos ejemplos son las redes de quimiotaxis en bacterias y células
eucariotas, sensado de gradientes, y sistemas sensoriales y neuronales.
Existen dos grandes grupos de redes de señalización capaces de generar este
comportamiento, ambas requieren un proceso inhibitorio. En uno de esos
grupos, la inhibición está dada por la propia respuesta del sistema, cerrando
así un feedback negativo (NFBL, negative feedback loop). En el otro grupo,
la inhibición es controlada por la señal externa, se trata de un IFFL,
incoherent feedforward loop. Diferentes trabajos en la literatura comparan
las propiedades de estas dos topologías, con el objetivo de diseñar
protocolos que permitan elucidar el sistema de adaptación subyacente. En
este proyecto estudiamos modelos de señalización generadores de pulsos,
entre ellos redes NFBL e IFFL, encontrando que sus propiedades de
entrada-salida de información y el rango de estímulos para los cuales la
respuesta de estos sistemas es dosis-dependiente (es decir, su rango
dinámico) constituyen una propiedad esencial para distinguir qué red de
señalización es la responsable de una respuesta tipo pulso.
[1] Ma W, Trusina A, El-Samad H, Lim WA, Tang C (2009) Defining network topologies that
can achieve biochemical adaptation. Cell 138(4):760–773.
[2]Ventura AC, Bush A, Vasen G, Goldín MA, Burkinshaw B, Bhattacharjee N, Folch A, Brent
R, Chernomoretz A, Colman-Lerner A. Utilization of extracellular information before ligandreceptor binding reaches equilibrium expands and shifts the input dynamic range. Proc Natl
Acad Sci U S A. 2014 Sep 16;111(37):E3860-9. doi: 10.1073/pnas.1322761111.
[3]Ozaki Y, Sasagawa S, Kuroda S, (2005) Dynamic characteristics of transient responses. J
Biochem. 2005 Jun;137(6):659-63. Review.
Fractal cell volume regulation
3
Alvarez H. Ariel1,2, Carlevaro C. Manuel3, Schwarzbaum Pablo J.4, Chara
Osvaldo1,5
1
SysBio, Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLYSIB) - CCT La Plata CONICET – Universidad Nacional de La Plata (UNLP), Argentina. 2 Departamento de
Ciencias Biológicas. Facultad de Ciencias Exactas (UNLP), Argentina. 3 IFLYSIB & Facultad
Regional Buenos Aires, Universidad Tecnológica Nacional, Argentina. 4 Instituto de Química y
Fisicoquímica Biológicas (IQUIFIB) UBA – CONICET, Argentina. 5 Center for Information
Services and High Performance Computing (ZIH), Technische Universität Dresden, Germany.
[email protected]
Abstract: Cellular volume is tightly regulated in the animal kingdom: cell
exposure to a hypotonic or hypertonic media induces an osmotic cell change
followed by a cell volume regulatory response, known as Regulatory
Volume Decrease (RVD) or Regulatory Volume Increase (RVI) process,
respectively. It has been proposed that this regulatory response would be
based on the existence of a mechanical sensor by which the cell would
continuously monitor its volume. It has been conceived that this mechanical
sensor could be associated with membrane-located mechano-sensitive ion
channels, cytosolic molecular crowding or even the cytosqueleton. We
developed a mathematical model assuming a mechanical sensor of fractal
dimension which contemplates these mechanisms. The model is composed
by a system of ordinary differential equations (ODEs) describing the
dynamics of cell volume and intracellular solute content and constituting a
generalization of previous models1. By constraining the model with
experimental information of typical conditions of RVD and RVI assays, the
model is able to qualitatively and quantitatively reproduce the
phenomenology of the regulatory response. Furthermore, the model predicts
a not yet observed oscillatory behavior which can be explained by stability
analysis.
[1] Chara et al., 2011. J Exp Zool A Ecol Genet Physiol. 315(4): 175-202.
Acknowledgment: This work was funded by UBACyT 20020130100027BA (2014-2017) and
PIP-CONICET. 112 20110100639 (2012-2014).
Termodinámica del desplegado de proteína
integrales de membrana inducido por SDS
4
Alvaro A. Recoulat Angelini y F. Luis González Flecha
Laboratorio de Biofisica Molecular. IQUIFIB Departamento de Química Biológica,
Universidad de Buenos Aires - CONICET, Argentina.
El estudio del plegado proteico ha sido siempre uno de los grandes desafíos
en bioquímica y biofísica molecular. Aunque las proteínas de membrana
constituyen aproximadamente un tercio de las proteínas codificadas en
genes conocidos, estudios sobre su estabilidad y plegado son complicados
debido a las limitaciones experimentales. Con pocas excepciones 1, las
proteínas integrales de membrana son resistentes a la desnaturalización
química por agentes como la urea o el cloruro de guanidinio. Sin embargo,
el uso de detergentes iónicos como el SDS, ha resultado efectivo contra
ellas2. La naturaleza anfifilica de los detergentes combina la posibilidad de
perturbar la estructura terciaria y solubilizar elementos de la estructura
secundarias ocultas dentro de las membranas biológicas.
En experimentos de desplegado químico reversible se plantea el problema
de manera simplificada suponiendo que existen en solución solo dos
proteínas, nativa y desplegada, y que esta ultima aumenta su proporción en
el equilibrio al aumentar la concentración del agente desnaturalizante. Al
considerar las contribuciones de cada especie en la señal registrada, se
puede llegar estimar la fracción de cada una de ellas en las diferentes
concentraciones de desnaturalizante, y a partir de esta información estimar
el ∆Gº de la reacción de plegado. La utilización de detergentes trae como
dificultad extra la formación de micelas al superar la concentración micelar
crítica. Esta particularidad debe ser considerada al plantear el modelo, para
poder sacar las verdaderas constantes termodinámicas del proceso. En este
trabajo, se ensaya el desplegado por SDS de la ATPasa transportadora de
cobre del microorganismo termófilo Archaeglobus fulgidus, así como
también el dominio aislado soluble de unión a ATP de esta proteína.
1. Roman EA. Arguello JM. Gonzalez Flecha FL. Reversible unfolding of a thermophillic
membrane protein in phospholipid/detergent mixed micelles. J MOL Biol 2010. 397. 550-559.
2. Roman EA. Gonzalez Flecha FL kinetics and thermodynamics of membrane protein folding.
Biomolecules 2014, 4, 354-373
Con financiamiento de ANPyCT, CONICET y UBA.
Estudios de la interacción entre defensinas humanas
y membranas modelo bacterianas mediante
simulaciones de dinámica molecular
5
Balatti, Galo Ezequiel1, Martini, Florencia2, Pickholz, Mónica3
1,3
Instituto de Nanobiotecnología. Facultad de Farmacia y Bioquímica. UBA/CONICET .
Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco. Facultad de Farmacia y Bioquímica.
UBA/CONICET.
2
Las defensinas son péptidos catiónicos clave del sistema inmune innato
capaces de desorganizar y desestabilizar la membrana bacteriana, logrando
ejercer un efecto antimicrobiano. Se cree que el mecanismo por el cual lo
logran es a través de la interacción electrostática con los componentes de
carga eléctrica negativa presentes en la membrana bacteriana.
A fin de estudiar a nivel molecular esta interacción péptido-membrana,
hemos realizado simulaciones de dinámica molecular (MD) mediante
modelos coarse-grain (CG). Utilizamos MARTINI2 como campo de fuerzas,
en combinación con la red elástica ElNeDyn3. ElNeDyn añade resortes
elásticos al backbone proteico, otorgándole estabilidad estructural adicional.
Mediante este modelo, validado previamente con simulaciones atomísticas,
indagamos los efectos de la concentración proteica sobre la interacción
entre la defensina humana 1 (hBD-1) y membranas modelo como 1palmitoil-2-oleoilfosfatidilcolina
(POPC)
y
1-palmitolil-2-oleoilfosfatidilglicerol (POPG). Asimismo, extendimos las simulaciones del
péptido hacia otras membranas modelo, tales como DPGG, LPPG y OPGG.
Las simulaciones nos permiten demostrar que hBD-1 se encuentra
esencialmente localizado en la interfase agua-lípido para todas las
membranas. Sin embargo, la interacción es más específica para el caso de
glicolípidos saturados.
El trabajo demuestra que el modelo CG con el campo de fuerzas MARTINI
sumado a la utilización de la red elástica ElNeDyn permite reproducir
satisfactoriamente el comportamiento de la defensina a escala molecular.
Esto representa un primer paso para entender el efecto diferencial 4 que las
defensinas ejercen sobre distintas cepas bacterianas probióticas, con el fin
último de aportar al desarrollo de mejores alimentos probióticos.
1. Periole X, Marrink SJ. Methods in molecular biology. 2013. Vol 924, L. Monticelli & E.
Salonen Eds., Springer, 2013, pp 533-565.
2. Periole X et al. Journal of Chemical Theory and Computation. 2009. 5 (9): 2531–2543
3. Hugo AA et al. J Appl Microbiol. 2012 Dec;113(6):1491-1497.
Agradecimientos: El trabajo ha sido posible gracias a los aportes de la Agencia Nacional de
Promoción Científica y Tecnológica, el CONICET y la Universidad de Buenos Aires.
Modelos matemáticos en el análisis de la
información experimental del proceso de
maduración de ovocitos de Rhinella arenarum
6
Benzal MG1*; Zelarayán LI2*.
1
Instituto de Matemática. 2Instituto de Biología. Fac. Bqca., Qca. y Fcia. UNT. Tucumán,
Argentina. *Misma participación. [email protected]; [email protected]
En los tiempos actuales la construcción de un modelo matemático permite
analizar del comportamiento de procesos biológicos y simular su dinámica
con el aporte de la tecnología a través de software matemáticos.
Tomando en cuenta la implicancia del uso de modelos matemáticos en los
fenómenos biológicos, en este trabajo se muestran resultados preliminares
de la modelización y simulación del proceso de maduración inducida por
progesterona y prostaglandinas en el ovario de un anfibio regional, Rhinella
arenarum.
El modelo propuesto a partir del análisis de la información experimental
permite la estimación de parámetros relevantes del sistema, el análisis de su
estabilidad y la dinámica de la curva tiempo-respuesta en cada etapa de la
reiniciación de la meiosis. En este aspecto, se ha observado que los signos
morfológicos externos de la maduración aparecieron más lentamente
cuando la misma fue inducida por prostaglandinas. El modelo propuesto
para la dinámica de este fenómeno comprueba este resultado, es decir que el
tiempo en el que se alcanza el equilibrio del efecto biológico varía de
acuerdo a la hormona analizada.
Asimismo, a través de la modelización, está previsto explicar el efecto de la
concentración de las hormonas en dicho proceso y su posible sinergismo
mediante un modelo para la curva dosis-respuesta.
Agradecimiento: Se agradece a la Secretaría de Ciencia, Arte e Innovación Tecnológica de la
Universidad Nacional de Tucumán (SCAIT-UNT).
Barcelona.
Efecto de la elasticidad del sustrato en la
generación de fuerzas y en la cinética de
proteínas adhesivas
7
M. Bianchi 1, L. Sigaut 2,3, L. I. Pietrasanta 1,2,3
1 Centro de Microscopías Avanzadas (FCEN-UBA), 2 IFIBA –DF (FCEN-UBA), 3 CONICET.
[email protected]
Las adhesiones focales (AF) son complejos macromoleculares que
proporcionan una conexión entre la célula y el medio extracelular, y sirven
como puntos de integración para las señales químicas y mecánicas. La
regulación de la adhesión celular a la matriz extracelular (ECM) es esencial
para la migración celular y la remodelación de ECM. La Microscopía de
Fuerza de Tracción (TFM) es una técnica que permite cuantificar las fuerzas
de tracción generadas por las células adheridas a un sustrato elástico, a
partir del procesamiento de imágenes de partículas fluorescentes embebidas
en el sustrato que actúan como referencia1.
Con el fin de estudiar los efectos de la elasticidad del sustrato en la
generación de fuerzas y en la cinética de las proteínas componentes de la
adhesión focal, cultivamos células de epitelio mamario de ratón (HC11)
sobre sustratos de poliacrilamida de diferente elasticidad. A partir de los
desplazamientos del sustrato calculados mediante un algoritmo de
correlación de imágenes2, en este trabajo, cuantificamos las fuerzas de
tracción ejercidas por las células, aplicando un método de regularización 3.
También, analizamos la cinética de la proteína mecanosensora de adhesión
focal, zixina, mediante la recuperación de fluorescencia después del
fotoblanqueo (FRAP)4. A partir de los experimentos de TFM
confeccionamos mapas de fuerzas de tracción sobre diferentes sustratos,
observando que la magnitud de la fuerza generada por las células disminuye
al cultivarlas sobre sustratos más rígidos. El estudio de la cinética de zixina
mediante FRAP reveló una disminución de la constante de disociación a
medida que aumenta la rigidez del sustrato. El análisis de los datos indicaría
una posible correlación entre la cinética de disociación de zixina y la
magnitud de las fuerzas de tracción: sugiriendo que ejercerían mayor fuerza
de tracción las adhesiones focales que presentan una menor constante
cinética de disociación para la zixina.
[1] Dembo, M., et al. Biophys. J., 2008;2022-70, 1996. [2] Danowski, B.A. et al. Cell Biol.
1411: 1420-118, 1992. [3] Butler, J. P. et.al. Am. J. Physiol. Cell Physiol., C595; C605-282,
2002. [4] Lele, T. P. et.al. J. Cellular Physiology, 187;194-207, 2006.
Agradecimientos: Este trabajo fue financiado por ANPCyT, CONICET y UBA. M.B. posee
una beca otorgada por CONICET.
Dynamics of interaction between the
molecular motor SpoIIIE and DNA
8
Borges Augusto1, Cattoni Diego I.2, Marcelo Nöllmann2 & Chara Osvaldo1,3
1
SysBio, Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLYSIB) - CCT La Plata CONICET – Universidad Nacional de La Plata (UNLP), Argentina. 2Centre de Biochimie
Structurale, CNRS UMR5048, INSERM U1054, Universite´ de Montpellier I & II, Montpellier,
France. 3Center for Information Services and High Performance Computing, Technische
Universität, Dresden, Germany. [email protected]
Abstract: SpoIIIE are membrane-anchored, ATP-fueled, molecular motors
which transport DNA, segregating chromosomes in bacteria and
consequently being crucial for sporulation. Directionality in these motors is
ruled by interactions of specialized sequence-recognition domains with
highly skewed DNA sequences known as SRS. We previously proposed a
molecular mechanism responsible for SpoIIIE directionality based on a
passive target search mechanism by which the SpoIIIE protein encounters
SRS sequences1. In this project we implemented this mechanism in a
stochastic model in which SpoIIIE can interact with DNA, either through
specific sequences SRS or non-specific ones. Once bound to DNA
containing or not SRS sequences, SpoIIIE is able to undergo 1D diffusion
on the DNA chain and eventually unbind, thus, becoming available to bind
another or the same DNA molecule. Pre-equilibrium binding experimental
data previously reported for SpoIIIE-DNA systems allowed us to estimate
model affinity parameters. By using this model we were able to explore
alternative hypotheses regarding SpoIIIE interaction with DNA. We
concluded that the sequence recognition process performed by SpoIIIE is
mainly ruled by anomalous 1D diffusion.
[1] Cattoni et al., 2013. EMBO Rep. 14(5):473-9.
We acknowledge support for this research to the Human Frontiers Science Program (HFSP).
Estudio computacional de afinidad por
O2 en hemoglobina humana
9
Mauro Bringas1, Ariel A. Petruk1, Dario A. Estrin1, Marcelo A. Martí 2,
Luciana Capece1
1,
INQUIMAE – DQIAyQF, FCEN, UBA. 2 Departamento de Química Biológica, FCEN, UBA
La hemoglobina (Hb) es una hemoproteina tetramérica (α 2β2) que tiene
como función la unión y el transporte de O 2. Este fenómeno ocurre debido a
la presencia de un grupo hemo, capaz de unir O2, en cada una de las cuatro
subunidades. La unión de O2 a la Hb presenta un comportamiento
alostérico: cuando el O2 se une a una subunidad, se modifica la afinidad de
las restantes mediante una alteración sutil de las interacciones entre las
mismas. La Hb tiene al menos dos estados alostéricos caracterizados
denominados R, de alta afinidad por O2, y T, de menor afinidad.
La afinidad por O2 está relacionada con la estabilización del ligando unido a
la proteína y con su capacidad de ingresar al sitio activo. Estos factores se
ven afectados al producirse el cambio alostérico. Si bien esta proteína fue
ampliamente estudiada tanto experimental como computacionalmente, los
mecanismos moleculares asociados a los cambios de afinidad al producirse
el cambio alostérico no se encuentran del todo elucidados.
Se abordó este problema utilizando una combinación de métodos que
describen la superficie de energía potencial de interacción basados en
potenciales clásicos e híbridos cuántico-clásicos. Se realizaron estimaciones
de afinidad a oxígeno en las subunidades aisladas de Hb humana adulta
wild type y en dos mutantes relevantes [1]. Se encontró concordancia entre
los cambios de afinidad esperados para cada mutante y el estado alostérico
del tetrámero.
También se estudió mediante simulaciones de dinámica molecular clásica la
conformación de la HE7 [3], que presenta dos estados: uno abierto y uno
cerrado, haciendo referencia a la accesibilidad de ligandos pequeños al sitio
de unión. Para las subunidades en ambos estados alostéricos se obtuvieron
perfiles de energía libre asociados a este cambio conformacional. Se
observó que la capacidad de apertura de la HE7 está relacionada con la
flexibilidad de la subunidad y cambia al producirse la transición alostérica.
[1] Capece et al. J. Am. Chem. Soc. VOL. 128, NO. 38, 2006.
[2] M.A. Marti et al. Journal of Inorganic Biochemistry VOL. 100, pp 761–770, 2006.
[3] Boechi et al. Journal of Biol. Chem. VOL. 288, NO. 9, pp. 6754 –6762, 2013.
Assessing the growth rate of endangered
Franciscana dolphin (Pontoporia blainvillei)
by using Leslie’s approach
10
Manuel O. Cáceres1, Iris Cáceres-Saez2,3, Eduardo R. Secchi4, M. F. Negri5,
M. V. Panebianco2, H. L. Cappozzo2
1
Centro Atómico Bariloche, Comisión Nacional de Energía Atómica; Instituto Balseiro,
Universidad Nacional de Cuyo and CAB-CONICET, Bariloche, Argentina. 2Museo Argentino
de Ciencias Naturales “Bernardino Rivadavia “MACN-CONICET, Ciudad de Buenos Aires,
Argentina. 3Museo Acatushún de Aves y Mamíferos Marinos Australes, Ushuaia, Tierra del
Fuego. 4Laboratório de Tartarugas e Mamiferos Marinhos, Instituto Oceanografico (IOFURG) Universidade Federal do Rio Grande/FURG Rio Grande - RS, Brazil. 5Centro Austral
de Investigaciones Científicas CADIC-CONICET. [email protected]
Several cetaceans’ species are subjected to anthropogenic threats and posses
life history traits that make them vulnerable to population declination. The
Franciscana dolphin is a small dolphin in the Southwestern Atlantic Ocean,
critically affected by incidental fishery mortality (or bycatch) along their
coastal distribution from Argentina to Brazil 1. The International Union for
Conservation of Nature (IUCN)2 has classified this species as Vulnerable
throughout its geographical range, due to the population decline of more
than 30% over three generations, with approximately 2000-3000 dolphins
incidentally captured in fishing nets each year.
In this study a method is presented for assess the growth rate of the
Franciscana dolphins. The mathematical approach is based on vital
parameters information (reproductive rates and survival probabilities).
Population models could be improved considering the situation where vital
parameters may make random incidental contributions 3. Here we apply a
Leslie analysis to calculate the growth rate for the time-dependent
population vector state, through an algorithm for a 14 x14 matrix model.
Thus the growth rate can be characterized by studying the time evolution of
the population vector. Our analysis shows that this population cannot
sustain such levels of incidental mortality. Therefore we agree with other
authors conclusions, and in fact our results are also critical in the sense that
the dynamics of the vector state indicates that only a dramatic decline in
mortality would allow the population to withstand the present incidental
mortality values.
[1] Reeves R, et al et al. IUCN Red List of Threatened Species, 2012. [2] Secchi ER, et al.
Int Whal Comm SC/56/SM16, 2004. [3] Cáceres MO, et al. J Math Biol 63:519-556, 2011.
Agradecimientos: This work is dedicated to the memory of Dr. R. Natalie P. Goodall, who
dedicated her life to the studies of marine mammals in Tierra del Fuego, Argentina. MOC
(Senior at CONICET) is grateful for the Grant PIP 90100290 from the Consejo Nacional de
Investigaciones Científicas y Técnicas Argentina (CONICET); and the Director of CADIC, Dr.
JO. Rabassa, for the kind hospitality during his stay in Tierra del Fuego, Argentina.
A comparative study of parameters affecting
direct or retroactive responses in signaling
cascades
11
1
Simona Catozzi1, Juan Pablo Di Bella2 , Alejandra C Ventura2 and JacquesAlexandre Sepulchre1
1
Institut Non Linéaire de Nice 2IFIByNE, CONICET UBA
Signaling cascades are part of a very complex molecular network
orchestrating the whole process of signal transduction. They consist in an
ordered sequence of proteins, coupled three by three, involved in
phosphorylation-dephosphorylation reactions. The first protein is activated
(phosphorylated) by an input signal, then each protein is activated by the
previous one. Moreover, according to common drug therapies applied to
cascades, we assume that the last protein can be inhibited by a compound
(drug).
Having the sequence length fixed to 3, we study the dynamical equilibrium
of such a system according to the direction of the information flow along
the cascade and as a function of the biochemical parameters (which are
randomly sampled), like reaction rates, total concentrations, or substrateenzyme affinities.
Particularly, our investigation is based on the effect of two different stimuli,
namely the input signal and the inhibiting drug, which generate different
stimulus-response curves, where the response is the proteins' variation.
These two curves are respectively associated to opposite working regimes:
the downstream (direct) and the upstream (retroactive) propagation.
Our analysis shows the probabilities for a cascade to work in several (even
opposite) regimes, and highlights which choices of parameter values may
promote specific signaling directions and dwindle other ones. We also
develop a graphic representation of the seven possible working regimes,
built from the concepts of saturation, sequestration and cycles’ activation.
Therefore, these results furnish interesting bases and precise data for
making experiments in synthetic biology, and possibly further
understanding some existing cascades and predicting their response (maybe
related to side effects) to drug administration.
Resumen del trabajo. No superar las 300 palabras. El texto debe incluir la
relevancia del problema, los objetivos del estudio, la metodología usada y
principales hallazgos. Incluir referencias como superíndice 1. Si incluye una
figura, reducir en 50 palabras el texto del resumen. No exceder una página
en cualquiera de los casos.
[1] Bernardino de la Serna J, et al. J Biol Chem 279:40715-22, 2004.
Mechanical regulation of water permeability in
cells: a modelling study
12
Alberto Ceccarelli1, Marcelo Ozu2 & Osvaldo Chara1,3
1
SysBio, Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLYSIB) - CCT La Plata CONICET – Universidad Nacional de La Plata (UNLP), Argentina. 2Laboratorio de
Biomembranas, Departamento de Fisiología y Biofísica e Instituto de Fisiología y Biofísica
Bernardo Houssay (IFIBIO Houssay, CONICET-UBA), Facultad de Medicina, Universidad de
Buenos Aires (UBA), Argentina. 3Center for Information Services and High Performance
Computing
(ZIH),
Technische
Universität
Dresden,
Germany.
[email protected]
Osmotically-induced water transport across plasma membrane fully
determines cell volume at times in the order of seconds to minutes. This
transport is mainly controlled by proteins working as water channels known
as aquaporins (AQPs). The presence of these channels is functionally
evidenced by measurements of water permeability. Based on experimental
evidences it was recently proposed1 that AQPs could be mechanically
regulated although the precise mechanism of this regulation is still
unknown. In this project, we propose a possible mechanism of such
mechanical regulation that we implemented in a mathematical model of cell
volume dynamics under external osmolarity changes. The model is given by
a non-linear ordinary differential equation (ODE) which was conveniently
nondimensionalized to reduce the number of model parameters. The model
was constrained by using experimental information from typical osmotic
swelling assays. Fitting the model to experimental kinetics of swelling of
Xenopus laevis oocytes under hyposmotic conditions determined by
videomicroscopy indicates that the mechanism is sufficient to explain the
observed phenomenology.
[1] Ozu et al., 2013. Biophys J. 104(1): 85-95.
Crosstalk of cells and signaling processes
during tissue regeneration: a data-driven
modelling approach
13
Cura Costa Emanuel1*, Milocco Lisandro1*, Tanaka Elly M.2, Chara
Osvaldo1,3
1
SysBio, Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLYSIB) - CCT La Plata 2
CONICET – Universidad Nacional de La Plata (UNLP), Argentina.
Deutsche
Forschungsgemeinschaft (DFG)–Center for Regenerative Therapies Dresden, Technische
Universität Dresden, Germany & Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and
Genetics, Dresden, Germany. 3 Center for Information Services and High Performance
Computing (ZIH), Technische Universität Dresden, Germany.
*These authors contributed
equally to this work.
[email protected],
[email protected]
Homeostasis is compromised when a tissue is wounded or amputated. The
vast majority of animals respond to these injures by means of scar
formation. Nevertheless, some organisms are able to show different levels
of tissue regeneration. Well-known examples are the axolotl or Mexican
salamander (A. mexicanum), Hydra (H. vulgaris), the fresh-water polyp,
and Planaria. Although a number of studies have been carried out to
understand why these animals can regenerate their tissues, we still lack a
mechanistic understanding of this amazing phenomenon. In this project we
try to phenomenologically reproduce the process of tissue regeneration by
means of a mathematical modelling approach based on experimental
information obtained in different contexts. In particular, based on previous
data analysis1 and modelling efforts2,3 obtained in regenerative conditions
we set up a 2D multi-scale model composed of two layers: a cellular and a
molecular or signaling level modeled by a Cellular Potts Model (CPM) and
Partial Differential Equations (PDE) formalisms, respectively. We explored
different cellular mechanisms as driving forces for tissue regeneration. By
constraining the resulting models to experimental information of the
dynamics of the cells and molecules involved in the regenerative process,
we were able to reproduce qualitative macroscopic features of this
phenomenon. Upcoming quantitative analysis comparing modelling with
experimental results can help us gain mechanistic understanding of tissue
regeneration.
[1] Roensch K, Tazaki A, Chara O & Tanaka EM. 2013. Science. 342 (6164):1375-1379.
[2] Chara O, Tanaka EM & Brusch L. 2014. Curr Top Dev Biol. 108:283-317.
[3] Chara O & Brusch L. 2015. BioSystems. 130: 1-10.
This work was funded by the Great! ipid4all grant (group2group exchange for academic
talents) granted by the Graduate Academy of the Technische Universität Dresden 2015, PICT
2014-3469 granted by the ANPCYT and by the Human Frontier Science Program (HFSP, grant
RGP0016/2010).
Asymmetries in kinesin-2 and cytoplasmic
dynein contributions to melanosome transport
14
De Rossi María Cecilia 1, De Rossi María Emilia 2, Sued Mariela 3,
Rodríguez Daniela 3, Bruno Luciana 4 and Levi Valeria 1
1
Departamento de Química Biológica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad
de Buenos Aires. IQUIBICEN-CONICET. Ciudad Universitaria, CP1428 Ciudad de Buenos
Aires, Argentina. 2Instituto de Astronomía y Física del Espacio, Universidad de Buenos AiresCONICET. Ciudad Universitaria, CP1428 Ciudad de Buenos Aires, Argentina. 3Instituto de
Cálculo, Universidad de Buenos Aires-CONICET. Ciudad Universitaria, CP1428 Ciudad de
4
Buenos Aires, Argentina.
Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas y
Naturales, Universidad de Buenos Aires. IFIBA-CONICET. Ciudad Universitaria, CP1428
Ciudad de Buenos Aires, Argentina.
[email protected]
The mechanisms involved in bidirectional transport along microtubules
remain largely unknown. We explored the collective action of kinesin-2 and
dynein motors during transport of melanosomes in Xenopus laevis
melanophores. These motors are attached to organelles through accessory
proteins establishing a complex molecular linker. We determined both the
stiffness of this linker and the organelles speed and observed that these
parameters depended on the organelle size and cargo direction. Our results
suggest that melanosome transport is driven by two dissimilar teams:
whereas dynein motors compete with kinesin-2 affecting the properties of
plus-end directed organelles, kinesin-2 does not seem to play a similar role
during minus-end transport.
Joint use of NMR and SAS for characterization
of biomolecular systems
15
Maximilia F. de Souza1, Roberto K. Salinas2 and Cristiano L. P. Oliveira1
1
Instituto de Física, Universidade de São Paulo, São Paulo, Brazil.
Universidade de São Paulo, São Paulo, Brazil
2
Instituto de Quimica,
The arrangement of multiple domains in the full-length proteins and in
macromolecular complexes that eventually mediate their molecular
functions is often unknown [1]. In order to study the structure and dynamics
of such multi-domain protein complexes it is important to complement
crystallographic studies with solution techniques to capture the more nativelike conformation in solution. Small-angle scattering (SAS) of X-rays
(SAXS) and neutrons (SANS) are powerful methods for the comprehensive
structural characterizations of biomolecular systems, both ordered and
disordered, at a resolution level of a few nm [2]. These techniques provide
information about the overall conformation and structural changes of
biological macromolecules in solution. In recent years considerable effort
has been devoted to integrating SAS data into structural biology strategies
in order to exploit the results properties between scattering data and other
structural biology techniques. In this respect solution NMR is the only
technique that allows atomic or residue-resolution structure determination
and investigation of dynamic properties of multi-domain-proteins and their
complexes. As experimental NMR data for large protein complexes are
sparse, it is advantageous to combine these data with additional information
from other solution techniques. Especially fruitful has been the integration
of SAXS with NMR for the elucidation of the structure of multi-domain
proteins and biomolecular complexes, by mutually solving the structural
degeneracy problem of both sources of information [3]. SAXS data can be
added an additional constraint for guiding molecular dynamics folding
algorithms by supplying global information that naturally complements the
partial information from NMR. Some study, demonstrates that the
complementarity between SAXS and NMR provide structural and dynamic
information that is far beyond the sum of the individual techniques [4,5].
The overall possibilities for the joint application of SAXS with NMR will
be presented and their use as a tool for the exploration and characterization
of the structure and dynamics of biomolecules.
[1] T. Madl , F. Gabel, M. Sattler ,J. Struct. Biol., 2011, 173, 472–482.
[2] C.L.P. Oliveira, InTech, 2011, pp 367-392.
[3] D. I. Svergun and Pau Bernado, Mol. BioSyst., 2012, 8, 151–167.
[4] G. Evrard. et al, J. Appl.Crystallogr., 2011, 44, 1264-1271.
Support: CAPES
Evolución temporal del rango dinámico de
receptores de membrana celular
16
Juan Pablo Di Bella1, Alejandro C Lerner1, Alejandra C. Ventura1
1
IFIByNE, CONICET, Universidad de Buenos Aires, Argentina
Una característica importante de todas las células vivas es su capacidad de
interpretar correctamente su entorno. Para este propósito, las células
desarrollan mecanismos de señalización celular que proporcionan
respuestas a estímulos externos. El primer paso en la detección de
información extracelular, por lo general, implica la unión reversible entre un
ligando externo y un receptor de membrana, dicha unión activa diferentes
vías de señalización y desencadena diversos procesos. Al activarse un
mecanismo de detección por la presencia de una señal externa, también lo
hacen las vías de señalización que se encuentran “río abajo” del mismo. Si
estas últimas son mucho más rápidas que la activación del receptor,
entonces esas vías utilizan información pre-equilibrio del receptor. En ese
caso la curva dosis respuesta se ve modificada (con respecto a la curva del
receptor en equilibrio), impactando en el rango dinámico de la ruta como un
todo, que se corre hacia las dosis más altas.
En este trabajo se estudian 3 modelos de receptor en los cuales el ligando,
en lugar de ser el responsable de la activación, es un mediador cuya
presencia modifica las tasas de activación alostérica del receptor. A través
de un análisis numérico/computacional se caracteriza el espacio de
parámetros de cada modelo, evaluando la capacidad del receptor de modular
temporalmente su rango dinámico. Encontramos que, cuando la activación
del receptor está mediada por una isomerización (independiente del ligando)
la capacidad de distinguir dosis altas se ve limitadaResumen del trabajo. No
superar las 300 palabras. El texto debe incluir la relevancia del problema,
los objetivos del estudio, la metodología usada y principales hallazgos.
Incluir referencias como superíndice 1. Si incluye una figura, reducir en 50
palabras el texto del resumen. No exceder una página en cualquiera de los
casos.
[1] Bernardino de la Serna J, et al. J Biol Chem 279:40715-22, 2004.
Comportamiento Dinámico de la Ruta
Glucolitica de Escherichia Coli.
17
Elias1 Adriana; Galan Vioque2 J.
1
Cátedra de Bioestadística, Facultad de Bioquímica, Química y Farmacia. Universidad
Nacional de Tucumán, Argentina. 2Escuela de Ingenieros, Universidad de Sevilla, España
E. Coli posee un sistema autónomo extremadamente bien organizado 1. Su
metabolismo consiste en un gran número de componentes que interactúan
de maneras complejas para sostener los procesos de la vida y responder a
estímulos externos. Objetivo: Analizar la estabilidad de posibles puntos de
equilibriosestados estacionarios, soluciones periódicas y sus bifurcaciones
través del método de la continuación. de un modelo dinámico del Sistema
de Organización de E. Coli. Material y Métodos: Se consideró el modelo
propuesto por Sel´kov2 en 1968, y modificado por Diaz Ricci 3 (2000).
Nikolaev en el año 2009. El modelo considera la dinámica de la ruta de
Embden-Meyerhof-Parnas de E. Coli y el sistema de las Pentosas (PTS) que
consiste en un complejo de 4 proteínas que transfieren fosfato en reacciones
en forma de cascada. El modelo contempla 4 ecuaciones diferenciales. Para
la simulación y análisis cualitativo del modelo Sse utilizó el programa
MATLAB y el programa AUTO. Resultados: Se observaron: órbitas
periódicas, consumo de energía oscilatorio; 2 puntos de equilibrio; 1 punto
de ramificación, 4 puntos límites y 3 puntos con períodos doble.
Conclusión: Al analizar el modelo respecto a parámetros seleccionados se
detectó un comportamiento dinámico del que se pueden realizar
interpretaciones biológicas que aportaran al estudio de la Ruta Glucolítica
de E. Coli.
[1] Centler F., et. al. Modeling and Simulation in Science Engineering and Technology. 1-16.
2006.
[2] Sel´kov E.E. European J. Biochem. 4:79-86, 1968.
[3] Diaz Ricci J.C. Biochemical and Biophysycal Research Communications. 271: 244-249.
2000.
Coevolución en proteínas repetitivas
18
Espada Rocío12, Parra R. Gonzalo1, Mora Thierry3, Walczak Alexandra4,
Ferreiro Diego U.
1
Departamento de Química Biológica, FCEN – UBA / IQUIBICEN – CONICET.
Departamento de Física, FCEN – UBA. 3 Laboratoire de physique statistique, CNRS, UPMC
and Ecole normale supérieure, 24 rue Lhomond, 75005 Paris, France. 4 Laboratoire de
physique théorique, CNRS, UPMC and Ecole normale supérieure, 24 rue Lhomond, 75005
Paris, France
2
La secuencia de aminoácidos de proteínas naturales contiene la información
sobre el plegado y el movimiento de las biomoléculas, definiendo el paisaje
energético. Debido a las superposición de las restricciones del plegado
(físicas) y funcionales (biológicas), junto al ruido inherente de la evolución,
es difícil detectar cómo estos factores impactan en la secuencia primaria.
Nosotros analizamos secuencias de diversas familias de proteínas
repetitivas. En contraposición a las proteínas globulares, las proteínas
repetitivas están constituidas por arreglos de aminoácidos similares
dispuestos en tandem que generalmente se pliegan en estructuras
extendidas, estabilizadas por interacciones en y entre las repeticiones (ver
figura). La simplicidad aparente en su arquitectura sugiere que las
propiedades de plegado de estos dominios (su estabilidad y cooperatividad)
pueden ser derivadas a partir de una descripción microscópica del balance
de términos energéticos de cada elemento y sus interacciones con sus
vecinos cercanos.
En este trabajo medimos las correlaciones de los alineamientos de
repeticiones, cuantificadas mediante Información Directa (ID). Detectamos
correlaciones espurias debidas a la naturaleza repetitiva de estas familias.
Proponiendo una corrección adecuada mejoramos la identificación de pares
de residuos que se encuentran interactuando en las estructuras resueltas
experimentalmente. Este procedimiento puede ser utilizado para predecir
estructuras tridimensionales de proteínas utilizando únicamente información
de su secuencia, mediante simulaciones computacionales.
[1] Espada Rocío, et al, BMC Bioinformatics, 16:207 (2 Julio 2015)
[2] Bernardino de la Serna J, et al. J Biol Chem 279:40715-22, 2004.
Interpretación de la generación de arritmias por
pérdida de Ca2+ del retículo sarcoplasmático
empleando un modelo matemático de miocito
humano
19
Felice JI1, Valverde C1, Mattiazzi A1, Lascano EC2, Negroni JA2
Centro de Investigaciones Cardiovasculares, CONICET, La Plata, 2Universiad Favaloro,
Buenos Aires- [email protected]
1
En el miocito cardíaco la contracción se produce por liberación de Ca 2+ del
retículo sarcoplasmático (RS) a través de los canales de rianodina (RyR2)
mediante el mecanismo de liberación de Ca2+-inducida por Ca2+ (LCIC)1.
Existe además pérdida espontánea de Ca2+ del RS durante la diástole, y su
aumento por alteración del RyR2 puede generar arritmias 2.
Experimentalmente, se comprobó que ratones transgénicos que tienen una
mutación en el RyR2 (S2814D) disparan potenciales de acción espontáneos
(PE), cuya intensidad disminuye al nivel de postpotenciales tardíos (PPT) al
aumentar el secuestro de Ca 2+ a través de la bomba de recaptura del RS
(SERCA2a) en ratones con mutación en el RyR2 y en la SERCA2a
(SDKO). Con la finalidad de estudiar los mecanismos involucrados en
ambos tipos de episodios arrítmicos, se utilizó un modelo de miocito
humano3 en el cual se mimetizaron ambas condiciones experimentales. El
modelo se desarrolló en MATLAB, utilizando el ODE15s para resolver el
sistema de ecuaciones diferenciales. El modelo reprodujo ambos tipos de
eventos arrítmicos. Los resultados de la simulación demostraron que en las
condiciones de S2814D el aumento de la pérdida de Ca 2+ diastólico
incrementa la concentración de Ca 2+ en el espacio diádico citoplasmático
(ED) que rodea el RyR2 el cual es intercambiado por Na + a través del
intercambiador Na+-Ca2+ actuando en modo directo. La entrada de Na +
despolariza la membrana hasta el nivel de disparo del canal de Na +
generando un PE. En el caso de SDKO, el mayor secuestro de Ca 2+ impide
que el incremento de Ca2+ en el ED induzca una gran despolarización de la
membrana, alcanzando solo a disparar PPT. La representación simultánea de
los flujos iónicos del miocito mediante el modelo, permitió explicar las
diferencias en los eventos arrítmicos observados en distintas condiciones
experimentales.
[1] Bers DM. Nature 415:198-205, 2002.
[2] Priori SG, et al. Circ Res 108:871-883, 2011.
[3] Lascano EC, et al. J Mol Cell Cardiol 60:172-183, 2013.
Segmentación de imágenes en microscopía
de fluorescencia
20
Fernández Arancibia, S.1 2 3, Grecco, H. 1 2 3, Morelli, L. 1 2
1
Departamento de Física, FCEyN, UBA. 2 Instituto de Física de Buenos Aires, CONICET,
Argentina. 3 Laboratorio de Electrónica Cuántica, Departamento de Física, FCEyN, UBA.
[email protected]
Las células utilizan redes de señalización para procesar información, tomar
decisiones y generar patrones precisos de actividad temporal y espacial en
agregados celulares. Las técnicas de microscopía de fluorescencia son
ideales para el estudio de estos mecanismos, ya que permiten cuantificar
señales con alta resolución temporal y espacial. Actualmente las técnicas de
screening de alto contenido están cobrando cada vez más relevancia debido
a las múltiples aplicaciones que presentan en el estudio de sistemas
biológicos complejos. Las mejoras en el equipamiento, como son la
automatización del enfoque y posicionamiento de muestras, han permitido
el desarrollo de microscopios automáticos. Por otra parte, la maduración del
software de análisis de imágenes ha facilitado la realización de mediciones
cuantitativas en las imágenes adquiridas. Estos avances permiten la
adquisición eficiente de grandes volúmenes de información, por ejemplo la
cuantificación de varias características fenotípicas a nivel de célula única en
una muestra poblacional con gran número de células individuales. En estas
técnicas, el análisis automático de las imágenes cumple un rol sumamente
importante, ya que debido a la gran cantidad de imágenes producidas resulta
imposible realizar un análisis manual de las mismas. La validación de los
algoritmos de análisis automático es imprescindible para garantizar que los
resultados sean confiables. Por este motivo, en estas técnicas cobra una gran
importancia la utilización de imágenes simuladas para la validación. El
objetivo de este trabajo es el desarrollo de un algoritmo de segmentación de
células que permita obtener información cuantitativa a partir de imágenes
de distintos canales de fluorescencia. Para la validación del algoritmo,
generamos imágenes sintéticas que simulan tanto la morfología de la célula
como las características de la imagen propias de la adquisición, por ejemplo
inhomogeneidades en la iluminación y el ruido introducido por la cámara.
Análisis computacional de mutaciones de
resistencias del virus de la hepatitis C.
21
Hector Florez1, Karina Salvatierra2.
1
Facultad Tecnológica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia.
Correo electrónico [email protected]. 2Cátedra de Virología, Facultad de Ciencias
Exactas, Químicas y Naturales, Universidad Nacional de Misiones, Posadas, Argentina.
La infección por el virus de la hepatitis C (VHC) es un problema de Salud
Pública a nivel mundial1. Con el desarrollo de antivirales de acción directa
(AAD) dirigidos contra proteínas del virus 2, se han descrito numerosas
mutaciones asociadas a resistencias, a pesar del potente efecto antiviral in
vitro e in vivo3. Por ello, es importante analizar mutaciones de resistencias a
los AAD, para prevenir potenciales fallos terapéuticos4.
El objetivo de este estudio fue diseñar y desarrollar un sistema de
información en línea: Biomedical Mutation Analysis (BMA), para analizar y
detectar mutaciones de resistencias en los genes que codifican las proteínas
NS3, NS5A y NS5B del VHC.
BMA permite seleccionar las secuencias de los genes y posiciones asociadas
a mutaciones de resistencia a los AAD in vitro e in vivo descritas en la
literatura. Así mismo, permite incluir diferentes pacientes, los cuales pueden
tener múltiples secuencias. BMA posee un algoritmo recursivo que permite
calcular de forma eficiente, cambios en los nucleótidos y aminoácidos en las
posiciones de interés, comparando cada una de las secuencias seleccionadas
con la secuencia de referencia del gen seleccionado.
Los resultados se presentan utilizando tres estrategias: 1) visualización
textual en línea de los cambios nucleotídicos necesarios para que cambie el
aminoácido que genera resistencia, 2) reporte generado automáticamente y
enviado al usuario vía correo electrónico, el cual contiene un resumen de las
mutaciones calculadas para cada secuencia y un reporte completo con el
detalle del análisis ejecutado y 3) grafo “Force-Directed” que identifica
mutaciones en cada secuencia del paciente a través de la agrupación de
nodos, los cuales corresponden a cada secuencia analizada.
BMA permite el análisis computacional de mutaciones con resistencia a los
AAD del VHC de forma rápida, sencilla y eficaz. Además, el desarrollo de
diferentes visualizaciones permite una apropiada interpretación de los
resultados.
[1] Shepard CW, et al. Lancet Infect Dis 2005; 5: 558-67.
[2] Liang TG, Ghany MG. N Engl J Med. 2013; 368(20):1907-17.
[3] Wyles DL. J Infect Dis. 2013; 207(1):S33-9.
[4] Cortez KJ, Maldarelli F. Viruses 2011; 3(4): 347-78.
Agradecimientos: Universidad Distrital Francisco José de Caldas y Universidad Nacional de
Misiones que hicieron posible esta investigación.
Instrumentación Óptica para el Estudio
Cuantitativo de Sistemas Biológicos
22
M.J. Gallardo1, J.P. Staforelli1
1
Center for Optics and Photonics, Universidad de Concepción, Chile. [email protected]@cefop.udec.cl
Los estudios interdisciplinarios buscan la integración sistemática de las
teorías, métodos e instrumentos de diferentes áreas del conocimiento, a
partir de una concepción multidimensional de los fenómenos observados.
En nuestro laboratorio se integran elementos provenientes de la física,
biología, matemáticas e ingeniería de manera de generar conocimientos que
permitan estudiar el fenómeno de manera conjunta. Aplicando distintas
técnicas ópticas, tales como microscopía de desenfoque (DM), microscopia
infrarroja (IR), trampas ópticas (OT) y detección hiperespectral [1-4], es
posible obtener información cuantitativa de distintos procesos biológicos.
Dentro de los procesos estudiados se encuentra la caracterización de la
movilidad de la bacteria Bacillus subtilis en una trampa óptica para distintas
condiciones de cultivo; la cuantificación del pigmento violaceína en
Chromobacterium violaceum utilizando una cámara hiperespectral; la
caracterización de una reacción enzimática utilizando microscopia infrarroja
(IR) y el estudio de propiedades mecánicas de membranas celulares
mediante DM.
[1] Gallardo et al, AMB Express 4:4 (2014).
[2] Etcheverry et al, J. Biomed. Opt. 17(10), 106013 (2012).
[3] Torres et al, Appl Opt. 54(8): 2057-65 (2015).
[4] M. Suwalsky et al, Biochim Biophys Acta. 1848(11 Pt A):2829-38 (2015)
Agradecimientos: Proyecto CONICYT PFB08-24, FONDECYT INICIACIÓN 11110145,
FONDECYT POSTDOCTORADO 3140167.
Buscando las bases celulares de la codificación
del sonido en el oído de mamíferos
23
Juan D. Goutman1
1
Instituto de Investigaciones en Ingeniería Genética y Biología Molecular (INGEBI –
CONICET). Vuelta de Obligado 2490. CABA.
El nervio auditivo en los mamíferos lleva información sobre sonidos
ambientales desde el oído hacia el sistema nervioso central (SNC) 1. Desde
los años ´50 se ha estudiado cómo distintas neuronas, que forman dicha
aferencia, representan diferentes aspectos de los estímulos sonoros. Sin
embargo, aún se desconocen muchos mecanismos celulares involucrados en
la transducción de la señales acústicas en potenciales eléctricos, y cómo
éstos se transmiten al SNC. En mi grupo buscamos determinar cuáles son
las bases celulares del procesamiento auditivo a nivel del oído interno.
Como modelo experimental utilizamos el Órgano de Corti de roedores, que
es la estructura dentro del oído responsable de la detección de estimulos
sonoros. Realizamos registros electrofisiológicos en las células ciliadas
internas (CCI) (los verdaderos “fono-receptores”) simultáneamente con
neuronas del nervio auditivo 2. Estos dos tipos celulares forman una sinapsis
muy particular que se denomina “sinapsis aferente” o “ribbon synapse” 3. A
través de esta sinapsis se codifican características del sonido como
intensidad, frecuencia y estructura temporal.
Particularmente, intentamos encontrar los mecanismos celulares que le
permiten a las CCI codificar la información sobre la intensidad de un
estímulo sonoro en la sinápsis aferente. Aplicamos estímulos de distinta
amplitud sobre las CCI y simultáneamente, registramos la actividad de una
neurona postsináptica. Evaluamos si la tasa de actividad en la sinapsis está
limitada por el número de vesículas sinápticas disponibles. Observamos que
la respuesta sináptica estaba compuesta por un aumento transitorio con un
curso temporal independiente de la intensidad del estímulo. Finalmente,
medimos el tiempo de recuperación del número de vesículas e intentamos
modelar computacionalmente la actividad en esta sinapsis.
[1] Kiang, N. Y. S., Watanabe, T. & Clark, L. F. (1965) Technology Press.
[2] Goutman, J. D. & Glowatzki, E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104, 16341–16346 (2007).
[3] Matthews, G. & Fuchs, P. A. Nat. Rev. Neurosci. 12, 812–822 (2010).
Agradecimientos: NIH-FIRCA, ANPCyT y CONICET
Q-GDEMAR: Un método general para la
identificación de genes expresados
diferencialmente en micro-arreglos
con grupos desbalanceados
24
D.V. Guebel, M.Perera-Alberto, N.V. Torres
Grupo de Biología de Sistemas. Universidad de La Laguna. Tenerife. Islas Canarias. España;
[email protected]
Los micro-arreglos permiten determinar el patrón de transcripción del
genoma. Aunque diversos métodos se encuentran disponibles para el postprocesamiento de los datos, éstos habitualmente conducen a diferentes
resultados, dificultando la transferencia de los hallazgos. Q-GDEMAR 1
combina la caracterización de la distribución completa en términos de
quantiles junto con la deconvolución Gaussiana de su región central. Se
desarrolló también un simple y exacto procedimiento para computar FDR
(False Discovery Rate). El método fue evaluado por comparación contra el
software LIMMA.2 En 58 de 68 comparaciones, Q-GDEMAR mostró
superior sensibilidad de detección (p=1x10-10), a la vez que no generó
desvíos sistemáticos (p=0.7428). Los genes detectados estuvieron asociados
a muy bajo nivel de FDR (mediana=0.67%, rango inter-cuartílico=0.87%).
Q-GDEMAR puede ser utilizado satisfactoriamente como método general y
cuando los grupos experimentales se encuentran desbalanceados. QGDEMAR permite establecer una relación unívoca entre los valores de la
variable discriminante y el nivel de probabilidad p asignado, mientras los
valores de FDR valen para toda la serie de genes identificados como
diferencialmente expresados.
1. Guebel D.V, Perera-Alberto M., Torres N.V. Molecular BioSystems, (2015),
DOI:10.1039/c5mb00541h
2, Smyth GK. Statistical Applications in Genetics and Molecular Biology, 2004, 3(1)
Agradecimientos: Proyecto BIO2014-54411-C2-2-R (MINECO, España) y Proyecto Ref. FP7REGPOT-2012-CT2012-31637-IMBRAIN. DVG agradece el soporte brindado por el Campus
Atlántico Tri-Continental (CEI-10/00018, Islas Canarias, España). Los autores expresar su
reconocimiento a la Dra. Catalina Feledi por su valiosa colaboración.
Modelo matemático de dispersión de semillas
por animales
25
Kazimierski, Laila, Abramson, Guillermo, Kuperman, Marcelo
Instituto Balseiro, Centro Atómico Bariloche. Argentina.
[email protected].
Nos proponemos modelar matemáticamente la dinámica
interactuante de una especie animal que se nutre de un sustrato vegetal,
cuya dispersión depende exclusivamente de esa especie. Un sistema de este
tipo es el que conforman el monito del monte (Dromiciops gliroides) y el
quintral (Tristerix verticillatus) en el bosque andino norpatagónico
(actualmente sujeto a estudios de campo por parte de colegas del
Laboratorio Ecotono de la Universidad Nacional del Comahue).
Los movimientos de las especies animales forrajeras, como es el
caso del monito del monte, están fuertemente condicionados por la
disposición del sustrato y, a su vez, la dinámica de la población vegetal
depende de la polinización y dispersión de semillas. 1,2 El movimiento del
animal define entonces los sitios donde crecerán nuevos ejemplares de la
planta, mientras que la distribución de ésta define los caminos preferidos
por el animal. Este proceso de retroalimentación determina el paisaje y el
uso del hábitat, a través de la dinámica acoplada de ambas especies,
requiriéndose su estudio simultáneo.
Proponemos un modelo de ecuaciones diferenciales acopladas que
buscan describir la dinámica de las plantas basándonos en las
consideraciones de este sistema. Como primer paso, estudiamos la
dispersión de semillas. Para esto hemos planteado ecuaciones diferenciales,
no locales espacialmente y con retardos temporales que pueden resolverse
analíticamente y admiten frentes de onda como solución 3; en simultáneo,
estamos abordando el problema mediante simulaciones numéricas que nos
permitan describir la dinámica del sistema.
[1] Carlo T.A., et al.. Journal of Ecology 96: 609-618, 2008.
[2] Morales J.M., et al.. Ecology 87: 1489-1496, 2006.
[3] Zou X. Journal of Computational and Applied Mathematics 146: 309-321, 2002.
Agradecimientos: a la Universidad Nacional de Cuyo y a CONICET por apoyo parcial a la
financiación del proyecto, y a nuestros colaboradores del Laboratorio Ecotono por proveer
datos y valiosas discusiones.
Modelado numérico para el estudio de la
movilidad en trayectorias de partículas
individuales difundiendo en el núcleo
de células vivas
26
Augusto Kielbowicz1, Graciana Puentes1,2, Laura Estrada1,2
1-Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, UBA, Argentina.
2-IFIBA-CONICET, Argentina.
En este trabajo se desarrollaron modelos numéricos basados en caminatas
aleatorias a tiempos discretos para analizar estadísticamente trayectorias
experimentales de nanopartículas de oro (AuNPs) difundiendo en el interior
de células vivas1. Las AuNPs han demostrado ser un excelente marcador
para experimentos de microscopía, entre otras cosas, porque no parpadean
ni se fotodegradan bajo excitación continuada2. La altísima fotoestabilidad
de las AuNPs conjuntamente con la precisión espacio-temporal del
microscopio multifotónico por barrido orbital, permitió el seguimiento de
nanopartículas individuales en 3 dimensiones por decenas de minutos.
Para analizar estas trayectorias experimentales, en este trabajo se
desarrollaron programas numéricos en el entorno MATLAB basados en
diferente tipos de generadores de números pseudo-aleatorios.
De esta forma se estudió la dependencia con el número de pasos de las
cantidades estadísticas de relevancia, como ser la posición media, el
desplazamiento cuadrático medio, y el coeficiente de difusión3.
A su vez se realizaron modelados de sistemas compuestos combinando
dinámicas confinadas y no confinadas, mediante la inclusión de gradientes
de velocidad, y mediante una distribución Gaussiana de diferentes
longitudes de paso en la caminata4. La independencia de los datos
numéricos fue verificada en todos los casos utilizando tests estadísticos
paramétricos y no paramétricos.
[1]Estrada, L. C., & Gratton, E. Nano Letters, 11(11), 4656–4660.
[2] Estrada, L. C., & Gratton, E.. ChemPhysChem, 13(4), 1087–1092.
[3] Saxton MJ, Jacobson K. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 1997. 26:373–99
[4] Hsieh, C. L., et al. Journal of Physical Chemistry B, 118(6), 1545–1554.
Agradecimientos: Este trabajo fue financiado por subsidios de la Universidad de Buenos Aires
(20020130300045BA LE), Agencia Nacional de Promoción Científica (PICT 2340-2013, LE),
(PICT2014-1543, GP), y Ministerio de Ciencia y Técnica (Programa Raíces 184/14,. GP).
Oscilaciones y supresión de ruido en un lazo de
feedback negativo con múltiples sitios de
regulación
27
Iván M. Lengyel*†, Luis G. Morelli*
*Departamento de Física, FCEyN UBA y IFIBA, CONICET, Pabellón 1, Ciudad
Universitaria, 1428 Buenos Aires, Argentina. †[email protected]
Los mecanismos de regulación genética involucran reacciones entre
macromoléculas como la unión y desunión de factores de transcripción al
ADN. Debido al bajo número de moléculas y las fluctuaciones en el
microambiente intercelular, estos eventos son de naturaleza estocástica y
generan fluctuaciones en la cantidad de proteínas dentro de una célula [1]. El
feedback negativo, un mecanismo por el cuál un factor de transcripción
inhibe su propia expresión al unirse a sitios específicos en el ADN, puede
modificar la dinámica de la expresión genética por ejemplo suprimiendo las
fluctuaciones[1,2]. Algunos genes cuentan con más de un sitio de regulación
para la unión de factores de transcripción[3]. En este trabajo estudiamos una
descripción estocástica de un lazo de fecdback negativo con múltiples sitios
de unión para los factores de transcripción. Resolvemos numéricamente la
ecuación maestra para obtener la distribución de probabilidad y realizamos
simulaciones numéricas para obtener series temporales. Encontramos que
agregar sitios de unión permite generar oscilaciones en la concentración las
proteínas, al contrario de lo esperado en sistemas deterministas [4]. Variando
el mecanismo de regulación y el número factores de transcripción
necesarios para inhibir la producción, la presencia de múltiples sitios de
unión pueden además disminuir las fluctuaciones en la cantidad de
proteínas. Estos resultados teóricos ofrecen un marco para interpretar la
existencia de múltiples sitios de unión para factores de transcripción en
algunos genes, y sugieren una alternativa simple para construir osciladores
genéticos en el contexto de la biología sintética.
[1] M. Kaern, et al, Nature reviews. Genetics, 6(6):451–464, 2005.
[2] A. Becskei and Luis Serrano. Nature, 405(6786), 590-593..
[3] I.M. Lengyel, et al. Papers in physics, 6, 060012.
[4] B.Novák & J. J. Tyson Nature reviews Molecular cell biology, 9(12), 981-991.
Empleo de un modelo matemático para evaluar
el efecto del fluoruro (F-) en el consumo de
glucosa independiente de insulina.
28
Lombarte Mercedes, Lupión Patricia M, Acciarri Ornela N, Rigalli Alfredo.
Laboratorio de Biología Ósea, Facultad de Ciencias Médicas, Universidad Nacional de
Rosario. [email protected]
El F- es un perturbador del sistema glucosa-insulina 1. Si bien existe un
estudio detallado de sus propiedades químicas y efectos biológicos, su
efecto sobre la cinética de los procesos fisiológicos involucrados en el
control de la glucemia ha sido solo parcialmente estudiado. En este trabajo
se propone ampliar el estudio del efecto del F - sobre dichos procesos
empleando un modelo matemático que describe al sistema glucosa-insulina.
El modelo empleado fue desarrollado por los autores y consta de 3
ecuaciones diferenciales que representan la variación de la glucemia,
insulinemia y cantidad de glucosa en el intestino en función del tiempo.
Incluye 8 parámetros asociados al funcionamiento hepático (k 4, Ipi),
absorción intestinal (ka y k0), consumo de glucosa en forma dependiente (k2)
e independiente de insulina (k3); secreción (k1) y desaparición plasmática de
insulina (k6). A diferencia de otros modelos, este presenta un número
reducido de parámetros, lo cual permite estimar todos los parámetros, en
cada individuo, por medio de determinaciones de glucemia e insulinemia 2.
Se trabajó con ratas de la línea Sprague-Dawley (n=16), se les estimaron los
parámetros del modelo sin F- y luego de una dosis oral de F - (7mg/Kg de
peso corporal). Se halló una disminución estadísticamente significativa en el
valor del parámetro k3 en los animales que recibieron F - (sinF-: 1.37; 0.0211.1, conF-: 0.97; 0.06-1.9, p<0.05 test de Mann-Whitney, datos expresados
como mediana y rango). k3 representa la glucosa consumida principalmente
por el sistema nervioso (SN), esta disminución estaría indicando menor
captación de glucosa y dado que la glucosa es la única fuente de energía
para el SN este resultado indicaría una restricción energética a este sistema.
Con ello, se podría dar explicación a trabajos previos realizados en zonas de
fluorosis endémica donde se ha observado una disminución del coeficiente
intelectual (IQ) en los niños 3,4.
1,
Lombarte M, et al. Fluoride analyses, chemistry in Focus. DOI 10.1039/9781782628507,
2015.
2
3
4
Lombarte M, et al. Math Biosc 13: 181-188, 2013.
Wang G, et al. Fluoride 41(4): 340–343, 2008.
Liu S, et al. Fluoride 41(2): 144–147, 2008.
A myiasis model for Philornis torquans and
Pitangus sulphuratus
29
Leonardo López1 2, Leonardo Giovanini 1 2
1. Facultad de Ingeniría y Ciencias Hídricas, Universidad Nacional Del Litoral(FICH-UNL),
Santa Fe, Argentina. 2 Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)
The genus Philornis comprises neotropical parasitic flies that parasite bird
nestlings while in their larval stage. The ecology of most species of these
parasitic flies is largely unknown. This work is an analysis of real data of
nestlings of the bird community present in a 30ha area in Santa Fe,
Argentina, to construct a simple host-parasite m o d e l t h a t illustrate the
relation for an average of the larvae impact over a nestling. The model
provide us with a good way to represent the behavior of the average
individual, for the parasite population as well as for the host population.
Both dynamics satisfactorily conforms to the dynamic average obtained
from the real data.
Rol de la heterogeneidad poblacional en
epidemias: ABMs y FCM
30
Leonardo López1, Leonardo Giovanini1
1
Research Institute for Signals, Systems and Computational Intelligence, UNL-CONICET
Los modelos basados en agentes (ABM) se han utilizado de forma creciente
para resolver una gran variedad de problemas 1. Son útiles para describir
sistemas conformados como una colección de objetos simples, lo que lleva a
comportamientos emergentes de gran complejidad. Los Mapas Cognitivos
Difusos (FCM) describen sistemas complejos en términos de conceptos y
sus relaciones2. Cada concepto representa una variable o característica del
sistema. En este trabajo nos interesa abordar la heterogeneidad una
población a través de las diferentes etapas de una enfermedad durante una
epidemia. Para ello hemos desarrollado un modelo basado en agentes
capaces de interactuar libremente entre sí en una grilla que simula un mapa
real. El modelo tiene en cuenta características individuales como la
respuesta inmune y la percepción de cada agente sobre el mundo virtual en
donde se desenvuelve y las sensaciones que se generan a partir de estas
percepciones. Las emociones individuales y el conocimiento de cada
individuo alteran la percepción de los agentes iteración a iteración. Dicho
comportamiento se modela a través de FCM.
La infectividad de los individuos depende de la carga viral y esta no
permanece constante, sino que varía con el tiempo dependiendo de varios
factores al igual que la susceptibilidad. Es posible modelar la respuesta
inmune de cada individuo mediante el uso de sistemas de ecuaciones como
en los modelos clásicos. Se pueden modelar diferentes distribuciones
espaciales para ver la importancia que la misma tiene en el desarrollo de
una epidemia. Por otro lado, el uso de FCM permite que el comportamiento
de los individuos, como por ejemplo la forma en la que se mueven en la
grilla, se vea afectado por sus emociones y percepciones, afectando la tasa
de contacto entre los mismos, la distribución espacial y como consecuencia
influyendo en la dinámica temporal del fenómeno.
Referencias:
[1] Gordon, Theodore J. Technological Forecasting and Social Change:0040-1625, 2003.
[2] Dickerson, Julie, et al.Virtual Reality Annual International Symposium, 1993.
Estimación del parámetro de plasticidad en un
modelo de diferenciación de células tumorales
mediante el modelo de Leslie y su aplicación en
los procesos de metástasis
31
David H. Margarit1, Lilia Romanelli2
1,2
Instituto de Ciencias - Universidad Nacional de General Sarmiento. Los Polvoines, Buenos
Aires, Argentina, [email protected]
El objetivo de este trabajo es encontrar el rango del parámetro de
plasticidad1 en un modelo de diferenciación de células tumorales 2 entre
células madres, progenitoras y diferenciadas a través de un Modelo de
Leslie3. Se analizó este parámetro mediante sensibilidad y elasticidad con el
fin de estudiar la influencia en el rango del parámetro encontrado. Como
posible aplicación, para la eventual prevención de una metástasis, se analizó
el porcentaje de las células cancerosas para extraer de un tumor sólido.
[1] O’Connor M, et. al. Cancer Letters 344, 2014.
[2] Molina Peña R, et. al. Plos One 7:2, 2012.
[3]Caswell H, Matrix Population Models: Construction, analysis and interpretation, 2001.
Fuerzas de tracción celular a través de las
adhesiones focales y cambios en la cinética de
disociación
32
M. Bianchi1,2,3, L. Sigaut1,2,3, L. I. Pietrasanta1,2,3
1 Centro de Microscopías Avanzadas, 2 IFIBA ,3 CONICET, Buenos Aires, Argentina.
Las fuerzas de tracción juegan un papel crítico en la adhesión celular, la
migración, y la reorganización de la matriz extracelular. Las células
interactúan con la matriz extra celular (ECM) mediante la unión de los
receptores transmembrana integrina, formando complejos de coordinación y
adhesiones focales. La Microscopía de Fuerza de Tracción (TFM) es una
técnica que permite la cuantificación de las fuerzas de tracción generadas
por las células adheridas a un sustrato elástico, a partir de imágenes
de partículas fluorescentes embebidas en el sustrato que actúan como
referencia1. Para inferir los desplazamientos del sustrato inducidos por la
célula utilizamos un algoritmo de correlación de imágenes digitales. 2 El
cálculo de los esfuerzos de tracción se considera como un problema inverso,
es decir, se utilizan las mediciones de la deformación del sustrato para
calcular el campo de esfuerzos de tracción que dio lugar a las
deformaciones observadas. Para reconstruir la tracción aplicamos el método
de Fourier FTTC (citometría de tracción para la transformada de Fourier). 3
En este trabajo, cuantificamos las fuerzas de tracción ejercidas por las
células de epitelio mamario de ratón (HC11) cultivadas sobre sustratos de
poliacrilamida de diferente elasticidad recubiertos con fibronectina.
También, en estas condiciones, medimos la constante de disociación de la
zixina, proteína mecano sensora de adhesión focal, mediante la
recuperación de fluorescencia después del fotoblanqueo (FRAP).
Encontramos una correlación entre la cinética de disociación de zixina y la
magnitud de las fuerzas de tracción ejercidas por las células HC11, siendo
menor la constante de disociación para fuerzas de mayor magnitud.
[1] Dembo, M., et al. Biophys. J., 2008;2022-70 1996.
[2] Danowski, B.A. et al. Cell Biol.1411;1420-118 1992.
[3] James P. Butler, et.al. Am. J. Physiol. Cell Physiol., C595;C605-282 2002.
Agradecimientos: Este trabajo fue financiado por ANPCyT, CONICET y UBA.
Identificación de blancos moleculares en
organismos patógenos a través de distancias
de Fourier
33
Rodrigo Ochoa1,2, Juan José Zuluaga1, F. Gaitán1, C. Segura1, C. Muskus1,2
1
Bioinnco S.A.S, Unidad de Investigación y Desarrollo, Medellín, Colombia. 2 Programa de
Estudio y Control de Enfermedades Tropicales, Universidad de Antioquia, Medellín,
Colombia. [email protected]
Desde el punto de vista del diseño racional de medicamentos, la búsqueda de
nuevos blancos moleculares es objeto de estudio tanto a través de
aproximaciones computacionales como experimentales. Para tal propósito,
herramientas para la comparación de secuencias proteicas a través de
algoritmos (ej. BLAST1), han permitido inferir con cierto nivel probabilístico
la ortología de proteínas entre un organismo de referencia y otro de interés
(patógeno). Sin embargo muchas veces estos métodos están sesgados por
matrices de puntaje estándar que no están especializadas para detectar
ortólogos como blancos en el campo farmacéutico. En este trabajo se
implementó una estrategia basada en la obtención de descriptores
fisicoquímicos y su análisis por metodologías de procesamiento de señales
para la detección blancos moleculares proteicos en organismos patógenos sin
hacer asunciones evolutivas. De la base de datos DrugBank 2 se obtuvo una
lista de blancos moleculares validados de medicamentos disponibles
actualmente en el mercado. Con las secuencias de aminoácidos, se infirieron
una serie de propiedades fisicoquímicas descritas en la base de datos
AAindex3, la cual contiene más de 500 propiedades reportadas para los 20
aminoácidos naturales. Cada vector fue procesado por medio de
transformadas discretas de Fourier teniendo en cuenta filtros de preprocesamiento de datos. Las frecuencias obtenidas sirvieron de base para la
generación de un algoritmo de matching capaz de relacionar blancos
moleculares conocidos con proteínas anotadas de diferentes patógenos
asociados con enfermedades como la malaria y la leishmaniasis. El sistema
fue ensayado con un grupo de blancos previamente asociados por métodos
experimentales en patógenos bacterianos y parasitarios. Hasta el momento el
protocolo ha presentado resultados comparables con lo obtenido por los
métodos clásicos. Sin embargo para ciertos organismos ha sobrepasado la
capacidad predictiva, lo cual lo hace viable como herramienta
complementaria en la búsqueda computacional de proteínas blanco de nuevos
medicamentos.
[1] Altschul S., et al. J. Mol. Biol. 215(3):403-10, 1990. [2] Knox C., et al. Nuc. Acids Res.
39:D1035-41, 2011.
[3] Kawashima S., et al. Nuc. Acids Res. 36:D202-5, 2008.
Agradecimientos: A las partes ejecutoras del proyecto por el apoyo económico y por ser
motor de innovación a la hora de plantear nuevas propuestas para tratar enfermedades
desatendidas en Latinoamérica y el mundo.
Ingeniería inversa en modelos de crecimiento
usando algoritmos genéticos
34
Alejandro Pedrozo1,2, Andrea M. Dallagnol1, Carlos E. Schvezov1
1
Instituto de Materiales de Misiones (IMaM) CONICET-UNaM. Azara 1552. Posadas,
Argentina. 2Comité Ejecutivo de Desarrollo e Innovación Tecnológica (CEDIT). Posadas,
Argentina.
[email protected]
Resumen del trabajo. Los alimentos se descomponen debido al crecimiento
de ciertos microorganismos presentes, lo que se manifiesta como un cambio
en sus características sensoriales. Una tecnología con gran potencial como
conservante natural son las bacterias lácticas1 (BL) las cuales se encuentran
integrando la microbiota de numerosos alimentos y la mayoría son
reconocidas como seguras. El comportamiento de las BLy su capacidad
para interactuar con bacterias alterantes/patógenas inhibiendo su desarrollo
se puede estimar mediante el uso de la microbiología predictiva, y los
parámetros de los modelos matemáticos pueden ser obtenidos utilizando
modelización inversa. Sin embargo, cuando se desea ajustar más de una
curva de crecimiento experimental de manera simultánea, el problema se
vuelve más complejo debido a que es necesario realizar una optimización
multi-objetivo para hallar el conjunto de parámetros más apropiado.
En el presente trabajo se utiliza una modificación del modelo mecanístico
de Baranyi y Roberts2, el cual considera interacción entre los
microorganismos, para ajustar las curvas de crecimiento experimentales de
bacterias lácticas y Listeria monocytogenesen forma simultánea. Se resuelve
el correspondiente sistema de ecuaciones diferenciales utilizando métodos
numéricos, y las predicciones del modelo son comparadas con los datos
experimentales mediante el error cuadrático. Como se desea minimizar el
error cuadrático de ambas curvas, se utiliza un algoritmo genético tipo
NSGA-II3 para obtener el frente de Pareto donde se encuentran los
conjuntos de parámetros que resuelven el problema.
Se obtiene que el algoritmo genético permite hallar parámetros de ajuste
para el modelo y en tiempos de cómputo relativamente bajos. Además, el
ajuste de curvas de crecimiento simultáneo propuesto presenta menores
errores cuadráticos, en comparación al ajuste individual de las curvas.
[1] Vignolo G, et al. Progress in Food Preservation, pp. 453-483. (2012).
[2] Le Marc Y, et al. International Journal of Food Microbiology, 129(3), 306-311. 2009.
[3] Deb, K., et al. Evolutionary Computation, IEEE Transactions on, 6(2), 182-197. 2002.
Efectos de la movilidad y los retardos
temporales sobre la sincronización de
osciladores acoplados
35
Gabriela Petrungaro1, Luis Morelli1, Koichiro Uriu2
1
Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA–CONICET) y Departamento de Física (UBA).
[email protected]. 2 Graduate School of Natural Science and Technology, Kanazawa
University, Kakuma-machi, Kanazawa 920-1192, Japan.
El cuerpo de los vertebrados está dotado de una estructura de segmentos
repetitiva, que se originan durante el desarrollo embrionario en forma
secuencial y con un ritmo definido. Este ritmo es controlado por un reloj
biológico, basado en la sincronización de osciladores celulares. Se piensa
que cada una de las células que intervienen en dicho proceso actúa como un
oscilador genético autónomo. Un mecanismo de comunicación local entre
las células acopla su dinámica dando lugar a la sincronización 1. Dos
componentes fundamentales de este mecanismo son los retardos temporales
en la comunicación y el movimiento celular. Por un lado, la comunicación
celular involucra la síntesis y transporte de macromoléculas que actúan
como ligandos y receptores. Este aspecto puede describirse mediante la
incorporación de retardos temporales en el acoplamiento entre los
osciladores2. Por otro lado, la movilidad celular en el contexto de
osciladores acoplados podría promover la sincronización al extender el
rango efectivo del acoplamiento3,4. Motivados por este mecanismo
estudiamos la dinámica de un sistema de osciladores que incluye estos dos
aspectos. El objetivo es comprender cómo la movilidad celular afecta la
manera en que las células alcanzan un comportamiento colectivo coherente
en presencia de retardos temporales. Para ello, incluímos movilidad en el
contexto de una red de osciladores de fase con acoplamiento retardado.
Encontramos que la movilidad es capaz de disminuir el tiempo en el que el
sistema alcanza el estado sincronizado aún en presencia de retardos
temporales en el acoplamiento.
[1] Oates et al. Development 139:625-639, 2012.
[2] Morelli et al., HFSP 3, 1:55–66, 2009.
[3] Uriu et al. 107, 11:4979–4984, 2010.
[4] Uriu et al., PRE 87:032911, 2013.
La movilidad del ligando en bicapas lipídicas
soportadas afecta la respuesta de muerte
mediada por el receptor Fas
36
M. Florencia Sánchez1, Valeria Levi2, Thomas Weidemann3 Dolores C.
Carrer4
1,4
Instituto de Investigación Médica Mercedes y Martín Ferreyra, INIMEC-CONICET-Univ.
Nac. de Córdoba, Córdoba, Argentina. 2 Departamento de Química Biológica-IQUIBICEN
Facultad de Ciencias Exactas, Univ. de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina. 3Max Planck
Institute of Biochemistry, Cellular and Molecular Biophysics, Am Klopferspitz 18, 82152
Martinsried, Germany.
La construcción de superficies funcionalizadas para usos en biotecnología
ha abierto una nueva área en la ciencia de los materiales 1. Una pregunta
relevante en biología y biofísica es como la dinámica de membranas
interactuantes, puede modular la cascada de señalización que involucra un
contacto célula-célula. El enriquecimiento espacial y temporal de
componentes de señalización en la membrana a escalas de micras o
nanómetros parece ser crítico para la eficiencia y regulación del proceso2.
Entre todas las vías de muerte celular, la apoptosis mediada por el receptor
Fas es una de las más involucradas tanto en el control fisiológico de la
proliferación celular como en la patogénesis de múltiples enfermedades.
Tradicionalmente, los eventos mediados por Fas han sido estudiados
utilizando el ligando soluble, es decir, estimulando la célula de manera
isotrópica.
En este trabajo, generamos bicapas lipídicas soportadas de diferente
composición y movilidad que pueden unir un ligando funcional del receptor
de muerte Fas; y estudiamos la respuesta de muerte en células que expresan
el receptor cuando interactúan con las superficies. Caracterizamos las
superficies por microscopía confocal y determinamos la difusión tanto de
lípidos como de proteínas con la técnica de Espectroscopia de Correlación
de Fluorescencia en el eje z (z-scan FCS).
Nuestros resultados de la interacción célula-superficie muestran que hay
una gran dependencia en la respuesta de muerte con la movilidad y
concentración del ligando, confirmando que la distribución espacial y
movilidad del estímulo pueden modular la respuesta celular.
[1] Alexis J. Torres et. al. Annu. Rev. Biophys. 37:265-88, 2008.
[2] Wageesha Senaratne et. al. J. Am. Chem. Soc. 128:5594-5595, 2006.
Modulación de Procesos de Señalización Celular
mediante Regulación Espacial
37
Débora Tenenbaum1,2, Hernán Grecco2,3, Alejandra Ventura1
1. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias (UBA-CONICET).
2. Laboratorio de Electrónica Cuántica, Departamento de Física, FCEyN, UBA. 3. Instituto
de Física de Buenos Aires, CONICET, Argentina. [email protected]
Constantemente los sistemas biológicos deben responder ante variaciones
internas y externas tales como el agotamiento de nutrientes, las
fluctuaciones en niveles hormonales y la recepción de señales sensoriales.
En consecuencia, la forma en que las células procesan las señales externas y
actúan frente a ellas está íntimamente vinculada al destino del organismo
del que forman parte. Un aspecto central del procesado de información
biológica es el mapeo de entornos a estados intracelulares: distintas
variables ambientales deben ser representadas en una forma que facilite la
respuesta transcripcional apropiada. El número de estados estables en los
cuales una célula puede estar en un momento dado está vinculado a la
flexibilidad en su toma de decisiones. En sistemas multiestables, la
variabilidad célula a célula puede explicarse considerando que las distintas
células se encuentran en estados diferentes. A partir de esta variación
distintos destinos celulares pueden ser diferencialmente accesibles y por lo
tanto el estudio del origen de la multiestabilidad resulta útil para muchas
áreas de la biología moderna. Para cumplir sus funciones específicas en las
cascadas de señalización celular, las proteínas kinasas deben transportarse
constantemente entre la membrana plasmática y el núcleo celular. H.A.
Harrington et a11 demostraron que esta organización espacial de los
procesos de transducción de señales juega un importante rol en el aumento
del espacio computacional disponible para las células: la
compartimentalización incrementa el número de estados estables
simultáneamente accesibles. En este trabajo, estudiamos los mecanismos
que dan lugar a la aparición de biestabilidad mediante la
compartimentalización en cascadas de ciclos de modificación covalente,
tales como la cascada de proteínas quinasas activadas por mitógenos
(MAPK). Esperamos que este sea uno de muchos ejemplos donde la
exquisita organización espacial de la célula eucariota permita que
estructuras de señalización previamente caracterizadas desempeñen nuevas
e inesperadas funciones de procesado de información2.
[1] Harrington H. et al. Biophys. J. 104, 1824–1831 (2013).
[2] Doncic A. et al. Cell 160, 1182–1195 (2015).
Propiedades de un modelo de neurona
talamocortical basado en conductancias
38
Tissone, Angela1, Y. Amarillo1,2, & M. Nadal1,2
1
División de Física Estadística e Interdisciplinaria, Centro Atómico Bariloche. 2 CONICET
Las propiedades de membrana de las neuronas talamocorticales (TC),
combinadas con la arquitectura de conexiones sinápticas del circuito
talamocortical, dan lugar a la actividad oscilatoria sincronizada que modula
la transferencia de información bajo diferentes estados globales del cerebro
como sueño y vigilia1. Las oscilaciones fisiológicas se correlacionan con
eventos normales de procesamiento sensorial; mientras que oscilaciones
patológicas –como los complejos espiga-onda– dan lugar a eventos
epilépticos2. El objetivo de este trabajo es estudiar el efecto de la interacción
entre las propiedades intrínsecas y los inputs sinápticos de neuronas TC en
su habilidad para codificar y transmitir información bajo diferentes estados
fisiológicos y patológicos. Previamente utilizamos datos que obtuvimos
mediante registros electrofisiológicos de neuronas TC para construir un
modelo basado en NEURON3 que incluye descripciones biofísicas
detalladas de cada una de las conductancias subumbrales de estas neuronas.
Con este modelo se analizó la función de cada una de estas conductancias
iónicas en el potencial de reposo, y se determinó cómo interactúan para dar
lugar a las oscilaciones subumbrales que sostienen el disparo repetitivo en
ráfagas4. Para extender este análisis de la dinámica temporal entre
conductancias al dominio espacial y poder incorporar inputs sinápticos en el
modelo, estamos desarrollando un modelo multi-compartimental que nos
permitirá identificar las combinaciones de corrientes de entrada con
diferentes propiedades temporales que permiten la generación de disparos
tónicos o en ráfagas, y cómo son modulados por la densidad, localización y
propiedades de las distintas conductancias iónicas. Presentaré la descripción
del modelo y resultados que muestran cómo reproduce el comportamiento
electrofisiológico de neuronas TC reales. El estudio de las estrategias
computacionales del circuito talamocortical no sólo nos permitirá elucidar
las bases moleculares y celulares de algunos tipos de epilepsia generalizada,
sino que también servirá para avanzar en la comprensión de cómo se llevan
a cabo ciertas funciones cognitivas.
[1] Buzsaki G. Oxford University Press, Inc, NY, 2006, p. 175-205.
[2] Masterton RA, et al. Epilepsy research 99: 327-334, 2012.
[3] Hines ML, and Carnevale NT. Neural Comput 9: 1179-1209, 1997.
[4] Amarillo et al. J Neurophysiol 112: 393-410, 2014.
Agradecimientos: CONICET, Gerencia de Física del Centro Atómico Bariloche
Análisis matemático de la interacción entre las
células cancerígenas y el sistema inmunológico
39
Javier Orlando Valeriano Mamani
Instituto Científico Del Pacífico, Perú.
El cáncer es un reto grave para el sistema inmune porque las células
tumorales no son ajenas al organismo. La células tumorales buscan infectar
a nuestro organismo a toda costa incluso eliminándose unas a otras;
mientras las células de sistema inmune cooperan para poder eliminar este
mal.
Por ello decidí analizar un modelo de un sistema de ecuaciones
diferenciales ordinarias (EDOs), que describen la competición entre cáncer
y sistema inmune. Nuestro objetivo es poder predecir para que valores
iniciales y constantes el sistema inmune logra vencer al cáncer.
Para realizar las simulaciones computacionales he hecho uso de Matlab, y
Maxima, para los cálculos simbólicos. El análisis de la estabilidad lineal de
los puntos del modelo lleva a tres grupos de soluciones. El primer grupo
corresponde al caso en que el sistema inmune gana a la enfermedad y el
cáncer desaparece (eliminación). En el segundo caso las células inmunes y
tumorales coexisten en un estado del equilibrio (cáncer oculto). En el tercer
caso el tumor sigue creciendo y el sistema inmune no es capaz de pararlo
(Muerte del individuo).
[1] Leah Edelstein-Keshet, Mathematical model in biology, 2005.
Agradecimientos: Por su apoyo incondicional y valiosos consejos a mi asesora Roxana López
Cruz, PhD. Y el profesor Alfredo Palomino Infante, M.sc.
Estimación del coeficiente de difusión del
calcio en ovocitos de Xenopus laevis usando
la técnica de FCS
40
Villarruel C and Ponce Dawson S.
Departamento de Física e IFIBA (CONICET), FCEyN-UBA.
La versatilidad y universalidad del calcio como agente señalizador se basa
en la diversidad de distribuciones espacio-temporales que la concentración
de este ión puede desplegar. Una comprensión profunda de las señales de
calcio requiere por lo tanto la combinación de observación y modelado. Las
técnicas ópticas y los dyes fluorescentes de calcio proveen una herramienta
no invasiva para estudiar la dinámica de las señales intracelulares de calcio.
Los ovocitos de Xenopus laevis son un modelo donde se ha podido observar
una enorme variedad de señales intracelulares, desde aquéllas muy
localizadas hasta ondas que se propagan por toda la célula. Para que la
combinación de observación y modelado sea útil es necesario contar con
valores confiables (idealmente, medidos in situ) de ciertos parámetros
biofísicos. En particular, es de vital interés conocer el coeficiente de
difusión del calcio dentro de las células. La Espectroscopía por Correlación
de Fluorescencia (FCS) es una técnica óptica comúnmente usada para
estimar coeficientes de difusión. En este trabajo mostramos los resultados
obtenidos al aplicar esta técnica en ovocitos de X. laevis usando Fluo-8
como dye de calcio.
Cognición aritmética: extendiendo los límites
de la recolección de datos
41
Federico Zimmerman1,2, Andrés Rieznik3,4, Mariano Sigman1,3,5, Juan Carlos
Giudici1, Diego Shalom1,5, Juan Manuel Garrido4, Pablo González4
1Escuela de Negocios de la Universidad Torcuato Di Tella, Buenos Aires, Argentina.
2
Departamento de Ingeniería Biomédica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos
Aires. 3Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). 4El Gato y La
Caja (www.elgatoylacaja.com). 5Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas y
Naturales, Universidad de Buenos Aires.
[email protected]
Para comprender los mecanismos involucrados en el cálculo mental es
importante llevar a cabo estudios en adultos e incluir a aquellos definidos
como prodigios en aritméticas.
La penetración de los teléfonos móviles es mayor que nunca. Aprovechando
de esta tendencia, hemos diseñado Moravec, una aplicación basada en el
sistema operativo Android, permitiendo a los sujetos realizar operaciones en
cualquier momento, en cualquier lugar y midiendo y almacenando múltiples
variables tanto sobre los sujetos y el uso de la aplicación, incluyendo
tiempos de respuesta, patrones de uso, esfuerzo mental y la confianza
percibidos[1,2]. Los usuarios fueron capaces de realizar diferentes tipos de
operaciones, desde sumas de 1 dígito a elevar números de 4 dígitos al
cuadrado. El game flow de la aplicación y la interfaz gráfica fueron
diseñados utilizando las metodologías propias de los y se incentivó a los
usuarios a llegar al nivel más alto posible del juego a través de las redes
sociales. Tres semanas después de su lanzamiento, más de 400 sujetos
realizaron 120.000+ operaciones. Estos números ya son superiores en
órdenes de magnitud a los alcanzados en experimentos anteriores y
confirman que las tecnologías móviles son una herramienta poderosa para la
investigación científica.
A partir de los datos, confirmamos los resultados conocidos en el área de la
cognición aritmética [3] y observamos fenómenos nuevos. Mediante la
medición de los tiempos de respuesta hemos sido capaces de confirmar el
hecho de que los cálculos aritméticos complejos se resuelven como una
serie de pasos elementales. Los usuarios que más tiempo han participado
aprendieron a elevar al cuadrado números de 3 y hasta 4 dígitos en menos
de un mes, lo que nos lleva a cuestionar la definición popular de "prodigio”
en aritmética.
[1] Dufau, Stephane, et al. "Smart phone, smart science: how the use of smartphones can
revolutionize research in cognitive science." PloS one 6.9 (2011): e24974.
[2] Brown, Harriet R., et al. "Crowdsourcing for cognitive science–the utility of smartphones."
(2014): e100662.
[3] Ashcraft, Mark H. "Cognitive arithmetic: A review of data and theory." Cognition 44.1
(1992): 75-106.
Análisis preliminar de la relación entre las
condiciones meteorológicas y el proceso de conducta
socioafectivo registrado en alumnos de la Educación
Media de una institución Educativa de la Capital
durante el año 2015
42
Gerardo Rodrigo Cabral Vera1 y María Rosa Rivas Ramos2
1
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Nacional de Asunción, Paraguay.
[email protected]. 2 Facultad de Filosofía, Universidad Nacional de Asunción,
Paraguay. [email protected]
El presente trabajo contiene aspectos relacionados al clima físico del aula y el
registro de observaciones conductuales de los alumnos. Teniendo en cuenta las
investigaciones de Sangent (1988) que han permitido establecer una relación
entre los cambios de condiciones atmosféricas que coinciden con el aumento
de las enfermedades denominadas meterotrópicas y otras manifestaciones
relacionadas con la conducta y las actividades humanas 1, se ha decidido
realizar un análisis preliminar con el objetivo de determinar la relación
existente y observable entre algunos parámetros atmosféricos como son la
presión atmosférica, la temperatura y la humedad, y relacionarlos con el
comportamiento registrado en anotaciones socioafectivas de una institución
educativa durante un muestreo temporal del año 2015. Para la investigación se
ha utilizado los datos de la estación meteorológica situada en el Colegio
Internacional, la cual registra diariamente variables atmosféricas en diversas
zonas escolares, para compararlas y establecer relaciones estadísticas entre las
variables estudiadas. Durante los meses de setiembre y octubre se realizaron la
toma de datos encontrándose correlaciones específicas con el comportamiento
de los alumnos y las variables meteorológicas del preciso momento,
estableciéndose un completo nexo entre ambas, concluyendo, que el ambiente
físico del aula es de suma importancia para el proceso de enseñanza
aprendizaje y debería de ser contemplado en la planificación áulica 2. Desde
hace unos 20 años se han tratado el tema de la influencia de los factores
atmosféricos sobre el comportamiento animal y humano 3. En este trabajo se
observa como factor fundamental entre los fenómenos atmosféricos la presión
atmosférica, la cual guarda relación más que evidente en aulas que tienen una
situación de climatización térmica, no así presurización. La misma está
relacionada con estados de ánimo y comportamiento de cierta parte de la
población. Esto ya explicado por Oliver y colaboradores en el año 2005,
cuando describía conceptualizaciones de meteorosensibilidad.4
[1] DE JUAN, M. J. A., & AMADOR, C. R. (2007). La organización y la dinámica del aula:
los grupos en la escuela. In Manual de asesoramiento psicopedagógico (pp. 393-424).
[2] DUARTE D, J. (2003). Ambientes de aprendizaje: una aproximación conceptual. Estudios
pedagógicos (Valdivia), (29), pp. 97-113. [3] MUECHER, H., & UNGEHEUER, H. (1961).
Meteorological influence on reaction time, flicker fusion frequency, job accidents, and use of
medical treatment. Perceptual and Motor Skills, 12(2), 163-168. [4] OLIVER, F. X. M.
(2005). Diagnòstic ambiental de l'aula. Perspectiva escolar, (294), 67-73.
Agradecimientos: A los Directivos de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y a la
Coordinación de Postgrado de la Facultad de Filosofía de la Universidad Nacional de Asunción
por el apoyo recibido durante la investigación
Modelo de pediculosis aplicado a un caso real:
¿Cuántos piojos se contagian los chicos en la
escuela?
43
Fabiana Laguna1, Ariel Toloza2, Claudia Vassena2, Sebastián RisauGusman1
1
Grupo de Física Estadística e Interdisciplinaria, Centro Atómico Bariloche y CONICET,
Bariloche, Argentina. 2 Centro de Investigaciones de Plagas e Insecticidas (CONICET). Villa
Martelli, Argentina
Los piojos han estado asociados a los seres humanos por siglos,
probablemente desde nuestros ancestros africanos pre-homínidos. Desde
entonces, cada año infestan a millones de niños en edad escolar, tanto en
países desarrollados como en desarrollo. Sin embargo, poco se sabe sobre el
número de piojos transferidos entre chicos durante las actividades escolares.
Con el objetivo de abordar ésta y otras preguntas relativas a la estimación
de los factores de riesgo de transmisión de la pediculosis, hemos diseñado
un procedimiento de extracción de piojos en escuelas. Los datos recogidos
se utilizaron como input de un modelo matemático de poblaciones de piojos
de la cabeza y para realizar cálculos analíticos 1. Esto nos permitió estimar
con dos métodos independientes un valor para la probabilidad de
transmisión (un parámetro que mide qué tan probable es que un piojo se
mueve de una cabeza a otra). Por otra parte, las simulaciones numéricas
realizadas con una versión estocástica del modelo matemático proponen un
escenario para la evolución temporal de la colonia de piojos que reproduce
los niveles de infestación observados en la escuela. Además, estos
resultados permitieron inferir posibles escenarios reales a partir de datos
incompletos, por ejemplo, el nivel de infestación de los niños ausentes 2.
Creemos que este enfoque interdisciplinario al problema de la pediculosis
proporciona información útil, ya que contribuye a la optimización de las
estrategias de control colectivo y permite una comprensión más profunda de
cómo tiene lugar la propagación de la infestación en un contexto real.
[1] M.F. Laguna, S. Risau-Gusman. Of lice and math: using models to understand and control
populations of head lice, PLoS ONE 6(7): e21848 (2011).
[2] A.C. Toloza, S. Risau-Gusman, C. Vassena, M.F. Modeling the evolution of head lice
colonies: a short time study, Enviado al Journal of Medical Entomology (2015).
Estudio catalítico de la hidrólisis de ATP por la
ATPasa termófila transportadora de Cu (I) de
Archaeoglobus fulgidus
44
Sabeckis ML, Martínez Gache SA, Román EA, González Lebrero MC,
González Flecha FL
Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas (IQUIFIB), Departamento de Química
Biológica, Facultad de Farmacia y Bioquímica, Universidad de Buenos Aires.
La ATPasa termófila transportadora de Cu(I) de Archaeoglobus fulgidus (AfCop-A), transporta Cu+ a través de las membranas celulares a expensas de la
hidrólisis del ATP. Esta reacción se produce en uno de los dominios
citoplasmáticos de Af-CopA (ATPBD), el cual está compuesto por dos
subdominios: uno de unión a nucleótido (dominio-N) y otro de fosforilación
(dominio-P)1. El objetivo de este trabajo es estudiar y caracterizar la
hidrólisis de ATP catalizada por el ATPBD de Af-CopA, integrando técnicas
computacionales y experimentales. Para este propósito se clonó el gen del
dominio en E Coli, se expresó y se purificó con resina Ni-NTA. ATPBD
aislado mostró actividad ATPasa con un máximo a 70ºC y pH 5,5. La
velocidad de reacción fue medida como función de las concentraciones de
ATP y Mg2+, obteniéndose un valor de kcat de 0.024 s-1 con una Km(ATP) =
0,54 mM siendo el Mg2+ un cofactor esencial. Para las dinámicas
computacionales se realizaron estudios por métodos híbridos QM/MM,
utilizando el paquete de software AMBER y LIO2. Se estudió la hidrólisis a
partir de un sistema cuántico reducido: un metildifosfato en presencia de
Mg2+ rodeado de aguas clásicas. Se realizaron cálculos de energía libre de
los mecanismos postulados a partir de cálculos Jarzynski. Los resultados
obtenidos proveen información detallada sobre la reacción de hidrólisis del
ATP por el ATPBD, aportando información valiosa para comprender el
mecanismo general de catálisis de estas enzimas.
Con subsidios de UBA y ANPCyT.
[1] Sazinsky MH, et al. J Biol Chem. 16:11161-6, 2006
[2] Nitsche MA, et al, J Chem. Theory Comput, 10: 959-967, 2014
Probabilidad de marcación de una proteína de
membrana con sondas fotoactivables
hidrofóbicas
45
Saffioti Nicolás Andrés1, Rossi Juan Pablo1, Mangialavori Irene1
1
IQUIFIB-Departamento de Química Biológica, Facultad de Farmacia y Bioquímica, UBACONICET
El uso de sondas fotoactivables es una herramienta muy útil para estudiar la
estructura proteica en su entorno nativo. En nuestro laboratorio se han
utilizado las moléculas 3-(trifluorometil)-3-(m-iodofenil)diazirina 1 (TID) y
1-palmitoil-2-[9-[2′-[125I]iodo-4′-(trifluorometildiazirinil)benziloxicarbonil]-nonaoil]-sn-glicero-3-fosfocolina (TID-PC)2, dos sondas
hidrofóbicas fotoactivables con alta afinidad por membranas biológicas.
Con el objetivo de conocer mejor este sistema resolvimos estimar la
probabilidad de marcación de la bomba de calcio de retículo sarcoplásmico
(SERCA) por ambas sondas en un determinado volumen de membrana.
Para ello se partió de la estructura cristalográfica de la SERCA (PDB file
1SU4) y se obtuvieron los vectores correspondientes a la ubicación de los
átomos que conforman los segmentos transmembrana de la proteína. Para
delimitar el volumen hidrofóbico de la membrana, se ajustó a la ubicación
de los átomos de la interfase, dos planos paralelos separados por 26 Å.
Usando estos dos planos se definió una caja en forma de prisma rectangular
donde se incluyó la porción transmembrana de la proteína. En el interior de
la caja se estableció una grilla de vectores separados por una distancia igual
al diámetro de la sonda ensayada. A cada vector se le asignó una
determinada probabilidad de marcación de la proteína en función de la
distancia al átomo más cercano a ésta. Luego establecimos el volumen
necesario de la caja para que el valor del rendimiento de marcación fuera
igual al obtenido experimentalmente, que para el caso del TID-PC arrojó
una relación de lípidos/proteína semejante a la que posee nuestra
preparación, mientras que para el caso del TID fue considerablemente
mayor.
Los resultados obtenidos muestran que en el momento de la fotólisis, todo
el TID-PC se encontraría dispuesto en la bicapa mientras que no ocurre lo
mismo con el TID. De esta manera, pudimos modelar la interacción de estas
sondas con una proteína de membrana P-ATPasa.
[1] Castello P R, et al. Protein Science 6:1708-1717, 1997.
[2] Mangialavori I C, et al. J Biol Chem 284:4823-4828, 2009.
Un modelo matemático para la inactivación
térmica de la ATPasa transportadora de Cu(I)
de Legionella pneumophila (LpCopA)
46
Bosich,Walter A., Gonzalez Flecha,Luis
Instituto de Química y Fisicoquímica Biológica. Facultad de Farmacia y Bioquímica.
Universidad de Buenos Aires.
Las P-ATPasas son proteínas de membrana que emplean la energía derivada
de la hidrolisis del ATP para mantener la homeostasis. La subfamilia de las
PIB-ATPasas esta conformada por proteínas que se encargan de regular la
concentración intracelular de iones de metales pesados. Dentro de esta
subfamilia podemos encontrar a las proteínas transportadoras de Cu+, que
están encargadas de la homeostasis y detoxificación del cobre (I) presente
en interior celular. La PIB-ATPasa de Legionella pneumophila (LpCopA)
fue cristalizada, siendo la primera proteína de esta familia para la que se
pudo resolver la estructura completa por medio de cristalografía de rayosX1.
La proteína recombinante obtenida por técnicas de clonado y expresión en
sistema heterologo presenta las dos actividades enzimáticas características
de esta familia, hidrólisis de ATP e hidrólisis de monoésteres de fosfato.
Los ensayos de estabilidad térmica de LpCopA son de sumo interés para
determinar las condiciones en que esta enzima mantiene su estructura nativa
y actividad biológica2,3. Para determinar el efecto de la preincubación sobre
la actividad ATPasa de LpCopA preincubamos una cantidad de proteína
LpCopA reconstituida en micelas mixtas de asolectina de soja y C12E10 a
una temperatura constante durante distintos tiempos y luego medimos la
actividad ATPasa remanente de la proteína. Los resultados obtenidos a
distintas temperaturas nos permitieron calcular la energía de desplegado del
proceso en un rango de temperatura; y de esta forma ajustar un modelo de
inactivación térmica irreversible de dos estados, los cuales corresponden a
una proteína completamente activa e inactiva, respectivamente4.
[1]. Gourdon P., et al. Nature. 475:59-65(2011).
[2]. Levi V. et al. J Membr Biol. 173:215-25. (2000).
[3]. Mandal A et al. J Biol Chem. 277:7201-7208 (2002).
[4]. Cattoni D. et al. Arch Biochem Biophys. 471:198-206 (2008).
Agradecimientos: A la ANPCyP y UBACyt
Modelo dinámico de la red de regulación
genética de la diferenciación de eritrocito y
megacariocito
47
Andrade Díaz F.1, Mendoza Sierra L.1.
1
Instituto de investigaciones Biomédicas, UNAM, México.
La hematopoyesis es el proceso por el cual se diferencia una célula troncal
hematopoyética en los diferentes linajes de células sanguíneas, eritrocitos,
megacariocitos, linfocitos B y T, granulocitos, y macrófagos. En particular,
la diferenciación de los eritrocitos y megacariocitos se da a partir del
progenitor megacariocito-eritrocito, MEP. Este proceso de diferenciación
está determinado, a nivel molecular, en su etapa terminal por el
antagonismo cruzado de los factores de transcripción EKLF y FLI-1. Si
EKLF predomina, el progenitor MEP se diferencia a eritrocito; mientras que
si predomina FLI-1, aquel se diferencia a megacariocito. Además de estos
factores clave, este proceso está regulado por la interacción de otros factores
transcripcionales. La dinámica generada por la red de regulación establecida
entre estos factores, así como su integración con señales extracelulares da
como resultado la generación de patrones específicos de expresión
observados en el proceso de diferenciación de los eritrocitos y
megacariocitos en el tipo silvestre. Sin embargo, no se conocen con certeza
todas las moléculas e interacciones que conforman a la red de regulación
que determina este proceso de diferenciación. Para ello el presente trabajo
pretende inferir la red de regulación genética cuyo comportamiento
dinámico describa el proceso de diferenciación del eritrocito y
megacariocito usando un modelo booleano. El modelo contiene tres niveles
celulares de relevancia: factores de transcripción, moléculas de señalización
y señales extracelulares. El modelo describe el fenómeno de toma de
decisión entre ambos linajes celulares a partir del MEP, además describe el
estadio de proliferación/diferenciación. Predice una molécula faltante en el
proceso, también predice un mecanismo por el cual los megacariocitos
podrían proliferar en etapas tempranas.
Agradecimientos: Apoyo recibido por parte de Conacyt.
Determinación experimental y teórica de la
frecuencia de anudamiento del estado
desplegado de una proteína
48
Andrés Bustamante1, Juan Sotelo2, Martin Floor1, Christian AM Wilson1,
Daniel Guerra2, Carlos Bustamante3,4,5 y Mauricio Báez1
1
Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas, Universidad de Chile, Santiago, Chile,
Universidad Peruana Cayetano Heredia, Lima, Perú, 3QB3 California Institute for
Quantitative Biosciences, Berkeley, CA, USA, 4Jason L. Choy Laboratory of Single-Molecule
Biophysics, Berkeley, CA, USA, 5Howard Hughes Medical Institute, Berkeley, CA, USA.
2
Los nudos son formas geométricas inevitables que abundan a escala
molecular y consecuentemente deben ser consideradas cuando se describen
las propiedades de polímeros artificiales y naturales. En el caso de las
proteínas, su estructura no se forma por simple azar lo que dificulta una
comparación directa con modelos poliméricos teóricos. Por lo tanto, en este
trabajo determinamos la frecuencia de formar nudos experimentalmente y
teóricamente en condiciones bajo las cuales una proteína se aproxima a un
polímero al azar, es decir, en su estado desplegado. Con este fin, utilizamos
la proteína ARC-L1-ARC la cual presenta un loop móvil de 15 residuos.
Cálculos de energía ab initio de modelos estructurales muestran que ARCL1-ARC puede adoptar una conformación anudada y otra no-anudada
dependiendo de la conformación del loop. Experimentos de pinzas ópticas,
permitieron capturar ambas conformaciones estirando la proteína desde sus
extremos amino y carboxilo. De 32 moléculas estiradas, 26 mostraron un
largo de contorno correspondiente a una proteína anudada (36,9 ± 2,8 nm) y
6 a una proteína no anudada (40,2 ± 3,8 nm). Análisis termodinámicos de
las transiciones de desplegamiento/replegamiento de ambas poblaciones y la
aplicación de un ciclo termodinámico permitieron acceder al costo
energético de formar un nudo en el estado desplegado de ARC-L1-ARC.
Dicho valor (6,1 ± 0,3 kcal/mol), se compara correctamente con la
probabilidad de encontrar un nudo que muestran modelos de poliméricos al
azar adecuados para la escala del estado desplegado de ARC-L1-ARC. La
concordancia experimental y teórica indica que, la formación de nudos en
proteínas puede ser descrita mediante modelos poliméricos simples y que la
formación espontanea de nudos en proteínas es pequeña.
Agradecimientos: Fondecyt 11110534, Fondecyt 1151274, Anillo ACT-1107, CONICYT
21150966
Metodología de Planificación del Dosaje en
Ablación Electrolítica
49
E. Luján1,3, H. Schinca1, N. Olaiz1, S. Urquiza3, F. V. Molina2, P. Turjanski1,
G. Marshall1
1
Laboratorio de Sistemas Complejos, Departamento de Computación e Instituto de Física del
Plasma, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires (UBA) y
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Argentina. 2 Instituto
de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía, Departamento de Química,
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires (UBA), Argentina. 3
Grupo de Ingeniería Asistida por Computadora, Departamento de Mecánica, Facultad de
Ingeniería, Universidad Nacional de Mar del Plata (UNMDP), Buenos Aires, Argentina.
La ablación electrolítica (electrolytic ablation, EA), un tratamiento médico
utilizado frecuentemente en ablación de tumores sólidos, consiste en el paso
de una corriente eléctrica continua de baja intensidad a través de dos o más
electrodos insertados en un tejido, induciendo de esta manera fuertes
cambios de pH que producen la destrucción del tumor. El uso combinado de
EA con un electrodo recientemente introducido1,2 (one-probe two-electrodes
device, OPTED), resulta en una técnica de ablación de tejido mínimamente
invasiva. A pesar del éxito relacionado con su bajo costo y efectos
secundarios mínimos, EA tiene inconvenientes tales como dificultades en la
determinación del tiempo necesario para asegurar la ablación total del tumor
evitando al mismo tiempo la destrucción de tejido sano. Aquí presentamos
una metodología de planificación de un dosaje realístico, basado en
primeros principios, en función del dosaje Coulombico administrado y los
cambios de pH asociados, que predice un protocolo de tratamiento
EA/OPTED óptimo para un dado tamaño de tumor, es decir, la intensidad
de corriente y el tiempo de aplicación necesarios para lograr la eliminación
total de la masa tumoral al mismo tiempo minimizando el daño al tejido
sano.
[1] Luján E., Schinca H. et al. Electrochimica Acta. 10/2015; DOI: 10.1016/
j.electacta.2015.10.147
[2] Olaiz N., Maglietti F., Suárez C., et al. Electrochimica Acta. 2010; 55:6010–6014
Agradecimientos: E. Luján tiene una beca del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas
y Técnicas (CONICET); N. Olaiz, F. V. Molina , P. Turjanski y G. Marshall son investigadores
de CONICET. Este trabajo fue apoyado por becas del CONICET (PIP 2012), Universidad de
Buenos Aires (UBA-CyT 2011) y la Cooperación Europea Internacional en Ciencia y
Tecnología (COST Action TD 1104).
Atenuación del daño producido por frentes de
pH en la electrotransferencia génica mediante
buffers naturales
50
M. Marino1, N. Olaiz1, E. Signori2,3, F. Maglietti1, C. Suárez1, L. Colombo5,
P. Turjanski1, S. Michinski1, E. Luján1 y G. Marshall1
1
Laboratorio de Sistemas Complejos, Departamento de Computación e Instituto de Física del
Plasma, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires y CONICET,
Argentina. 2 Laboratory of Molecular Pathology and Experimental Oncology, CNR-IFT, Rome,
Italy. 3 Laboratory of Molecular Medicine and Biotechnology, University Campus Bio-Medico
of Rome, Rome, Italy. 4 Departamento de Inmunobiología, Inst. de Oncología Angel H. Roffo,
Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina. 5 Instituto Tecnológico Buenos Aires,
Argentina
La electrotrasferencia génica (GET) es una poderosa técnica que permite la
introducción de plásmidos al interior de la célula con el objetivo de inducir
su expresión. Estos plásmidos codifican proteínas que regulan la respuesta
inmune del huésped. Si bien por vías de un pretratamiento con hialuronidasa
se puede maximizar la llegada del plásmido al espacio intersticial donde se
ubican las células que serán transfectadas mediante GET, esto no modifica
el daño tisular que se produce cerca de los electrodos. Este daño conlleva
una pérdida en la eficiencia del tratamiento [1]. De esta manera, la
optimización de un protocolo GET exige un balance entre maximizar la
expresión y minimizar el daño. En trabajos anteriores [2, 3] se ha mostrado
que los frentes de pH generado por los protocolos GET producen cambios
no despreciables en el pH y que son estos cambios la principal causa del
daño tisular. En el presente trabajo, se analiza el rol del pH en el daño del
tejido cuando se aplica un protocolo GET en presencia del sistema de buffer
bicarbonato. Se utiliza una metodología de modelado in silico usando las
ecuaciones de Nernst-Planck para la descripción del transporte iónico. Este
modelo es contrastado con resultados experimentales obtenidos por
microscopía intravital en el pliegue cutáneo dorsal de un ratón. El modelo
teórico predice correctamente los resultados experimentales y muestra que
en los protocolos GET, con o sin pretratamiento de hialuronidasa y pese a la
neutralización provocada por el buffer, los frentes de pH son la principal
causa del daño tisular.
[1] J. M. McMahon, E. Signori, K. E. Wells, V. M. Fazio, D. J. Wells, Optimisation of
electrotransfer of plasmid into skeletal muscle by pretreatment with hyaluronidase – increased
expression with reduced muscle damage, Gene Ther. 8 (2001) 1264–1270.
[2] F. Maglietti, S. Michinski, N. Olaiz, M. Castro, C. Suárez, G. Marshall, The role of ph
fronts in tissue electroporation based treatments,PLoS ONE 8 (2013) e80167.
[3] N. Olaiz, E. Signori, F. Maglietti, A. Soba, C. Suárez, P. Turjanski, S. Michinski, G.
Marshall, Tissue damage modeling in gene electrotransfer: The role of Ph,
Bioelectrochemistry(2014).
Optimal dose-response relationship in gene
electrotransfer
51
G. Marshall1,2
1
Laboratorio de Sistemas Complejos, Departamento de Computación, Facultad de Ciencias
Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Argentina. 2 Instituto de Física del
Plasma, Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de
Buenos Aires, Argentina.
Electroporation (EP) is a technique in which cell membrane permeability is
greatly enhanced when it is subjected to electric fields. EP based tumor
treatments, such as gene electrotransfer (GET) are gaining momentum due
to their efficacy and minimum side effects. Despite its success, GET has
some drawbacks such as the difficulty in choosing reliable parameters for
determining the optimum dose-response relationship in terms of electric
parameters. Here we introduce a theoretical model describing GET
treatments as an electrolytic process and the underlying electrochemical
reactions through the Nernst-Planck ion transport equations. Model results
show that coulomb dosage is a reliable dose parameter and electroporated
and damaged areas are reliable response parameters. Moreover, they predict
an optimal dose-response relationship for a given area being transfected,
considering the optimum as the Coulomb dosage that yields maximum
electroporated tissue with minimum damage. These results are relevant for
dose planning geared towards the improvement not only of GET but of all
EP based tumor treatment efficacy.
Acknowledgments: this work is the result of a close collaboration with E. Luján, H. Schinca,
N. Olaiz, S. Urquiza, F. V. Molina, P. Turjanski, F. Maglietti, S. Michinski and C. Suárez . G.
Marshall is a Member of the Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
(CONICET). This work was supported by grants from CONICET (PIP 2012), Universidad de
Buenos Aires (UBACyT 2014) and the International European Cooperation in Science and
Technology (COST Action TD 1104).
Intracellular dynamics of kinesin-1 molecular
motors engaged in mitochondrial transport
52
González Bardeci, Nicolás1; Wetzler, Diana1; Gratton, Enrico2; Gelfand,
Vladimir3; Bruno, Luciana4; Levi, Valeria1
1
Departamento de Química Biológica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad
de Buenos Aires. IQUIBICEN-CONICET. 2 Laboratory for Fluorescence Dynamics,
Department of Biomedical Engineering, University of California, Irvine, California, United
States. 3 Department of Cell and Molecular Biology, Feinberg School of Medicine,
Northwestern University, Chicago, Illinois, United States. 4 Departamento de Física, Facultad
de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires. IFIBA-CONICET.
Corresponding author: [email protected]
Intracellular transport mediated by molecular motors is essential for most
biological functions. These proteins bind to a wide variety of cellular
cargoes and step along cytoskeletal filaments using energy provided by
ATP hydrolysis. Two families of molecular motors drive transport along
microtubules in a bidirectional manner: dyneins walk towards the minus
ends located near the nucleus, whereas kinesins walk towards the plus ends
at the periphery of the cell. These opposite-polarity motors compete with
each other to determine the direction of motion. Recent theoretical works
showed that key aspects of the transport are finely tuned by spatial
distribution of motors on the organelle membrane. However, there are not
experimental evidences of how motors organize on organelles in living
cells.
In this work, we explored this issue in Drosophila S2 cells expressing a
EGFP-labeled kinesin-1 variant. Using confocal laser scanning microscopy,
we registered line-scans to recover simultaneously the movement of
fluorescent mitochondria along cell processes and the fluorescence of
kinesin motors at the organelle with high-temporal resolution. A combined
single particle tracking and fluorescence correlation analyses allowed us to
determine the dynamics of motors in different regions of the organelle.
According to our analysis, motors engaged in organelle transport display
different dynamics depending on: 1) the directionality of the organelle being
transported (minus-end or plus-end directed), and 2) the position within the
organelle where the motors are located (rear-end or leading-end).
Mathematical modelling of the movement of the motors along the
organelles undergoing directional transport support the experimental results.
The External Architecture of BK Channel is
modified by the presence of Accessory
Subunit γ1
53
Willy Carrasquel-Ursulaez1,2, Juan P. Castillo1, Felipe Valenzuela1,3, Romina
Sepulveda4, Yenisleidy Lorenzo1, Daniel Aguayo3, Francisco Bezanilla5,
Fernando D. Gonzalez-Nilo4, Ramón Latorre1.
1
Centro Interdisciplinario de Neurociencias de Valparaíso, Valparaíso, Chile, 2Doctorado en
Ciencias, Mención Neurociencias, Universidad de Valparaiso, Valparaiso, Chile, 3Doctorado
en Ciencias, Mención Biofísica y Biología Computacional, Universidad de Valparaiso,
Valparaiso, Chile, 4Centro de Bioinformatica y Biología Integrativa, Universidad Andrés
Bello, Santiago, Chile, 5Department of Biochemistry and Molecular Biology, University of
Chicago, Chicago, IL, USA.
Regulatory β and γ subunits are responsible for conferring functional
diversity to BK channels but little is known about the detailed way that
accessory subunits modulate the structure of the pore forming α subunit. It
is known that the γ1 subunit produces a large leftward shift of the open
probability vs. voltage curve in the absence of internal Ca 2+. This effect is
caused by a large increase in the coupling between voltage sensors
activation and the pore opening 1. To explore the external architecture of α
subunit in the presence of γ1 subunit and the γ1 location, we used
lanthanide-based resonance energy transfer (LRET) as a molecular ruler to
measure intra- and inter-molecular distances. We introduced a genetically
encoded lanthanide binding tag (LBT) that binds Tb 3+ (LRET donor) with
high affinity at different positions in the α subunit (N-terminal, S0, S1 and
S2) and γ1 subunit. Fluorescent probe BODIPY linked to a scorpion toxin
was used as LRET acceptor. LRET sensitized emission (SE) decays were
analyzed using a nano-positioning system that determines the position of
LBT-tagged sites with respect to the fixed acceptor near the pore axis.
Interestingly, the external architecture of the BK α subunit is modified when
co-expressed with the regulatory γ1 subunit indicating a conformational
change of the BK voltage sensor domain of the BK channel. The largest
changes was in S1 position (~25 Å) followed by S0. In addition, all γ1-LBT
positions were found peripherally positioned with respect to the α subunit.
[1] Yan J. and Aldrich R. Nature 466:513-517, 2010.
Fondecyt Grant 1150273 (To R. L.)
Parametrización de la estructura ósea de la
meseta tibial
54
Leyde Briceño1, Yeni Sánchez1, Félix Nieto1
1
Instituto Nacional de Bioingeniería – Universidad Central de Venezuela.
[email protected]
Los modelos 3D de estructuras óseas son de gran importancia para la
investigación médica. La reconstrucción de una estructura a partir de las
imágenes médicas obtenidas de cada paciente y el procesamiento digital de
esta información, conlleva un incremento en el tiempo de respuesta de un
estudio; además también existen casos donde la información de la estructura
ósea del paciente está incompleta, lo que limita el estudio. Por lo que en esta
investigación se realiza el modelado geométrico de la meseta tibial en
función de parámetros morfométricos, con el fin de obtener un modelo que
permita en trabajos posteriores estudiar la influencia de esta estructura en
las lesiones de la rodilla. El modelado se fundamenta en superficies BSplines de producto tensorial, para lo cual se desarrollaron rutinas en el
software matlab que permiten generar las superficies, a partir de una nube
de puntos que se obtienen de relaciones paramétricas entre las medidas
morfométricas de la meseta tibial, tomando como referencia el trabajo de
Gandhi [1]. Una vez que se ha generado la superficie se convierte a formato
.dxf, se exporta al software GiD y se crea el volumen del sólido que será
usado en un software CAD-CAE. La metodología desarrollada permite
generar el volumen y la malla volumétrica de la estructura ósea
parametrizada de la meseta tibial.
Referencias:
[1] Gandhi, S. Singla, R. Kullar, J. Suri, R. Mehta, V. J. Clin. Diagn. Res. 2014, 8(8): AC10
Inter-annual variability in Prosopis caldenia pod
production in the Argentinean semiarid
Pampas: A modelling approach
55
Risio Lucía1, 2; Calama Rafael 1, 3; Bogino Stella4 y Bravo Felipe1, 2.
1 Sustainable Forest Management Research Institute University of Valladolid-INIA, Av.
Madrid 44, 34004 Palencia, Spain. 2 Departamento de Producción Vegetal y Recursos
Forestales, E.T.S. de Ingenierías Agrarias, Universidad de Valladolid, Palencia, Spain. 3
Departamento de selvicultura y Gestión Forestal, CIFOR-INIA. Madrid, Spain. 4
Departamento de Ciencias Agropecuarias, Facultad de Ingeniería y Ciencias EconómicoSociales, Universidad Nacional de San Luis, Argentina.
La parte más seca de la las pampas argentinas está ocupada bosques
semiáridos dominados por Prosopis caldenia Burkart (caldén). Las vainas
de caldén son un valioso recurso forrajero para el ganado bovino pero su
producción anual es altamente variable. El objetivo de este estudio fue
analizar y modelizar los patrones temporales en la variabilidad interanual de
la producción de vainas de caldén. La hipótesis de partida fue que las
condiciones climáticas gobiernan los procesos de floración y fructificación
de caldén. Se evaluó la relación entre la producción anual de frutos y
variables climáticas y de tamaño del árbol. Considerando la naturaleza de
los datos (truncamiento, sesgo, autocorrelación) se ajustó inflado en ceros
con una distribución mixta Log-Normal. La estructura final del modelo
propuesto incorpora 25 parámetros; cuatro componentes de la varianza, dos
interceptos para cada componente del modelo (la parte logística y la lognormal) y diecinueve parámetros asociados con efectos fijos. De acuerdo
con nuestros resultados se concluye que el clima ejerce una fuerte influencia
en el proceso de floración-fructificación y en la variabilidad interanual de la
producción final de fruto a nivel de árbol en caldén. Las temperaturas
durante la hinchazón de yemas, floración y maduración de fruto, junto con
la precipitación total del ciclo vegetativo anterior son las principales
variables climáticas que afectan la producción de fruto de P. caldenia.
Efecto de enhebrado en el mecanismo de
plegamiento de una proteína anudada pequeña,
determinado mediante el uso de pinzas ópticas
56
Maira Rivera1, Andrés Bustamante1 y Mauricio Báez1
1
Laboratorio de Bioquímica, Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas, Universidad de
Chile.
Las proteínas anudadas deben enhebrar uno de los extremos de la cadena
polipeptídica para alcanzar su estado nativo. Este proceso debe ocurrir al
menos la primera vez que la proteína se pliega. Sin embargo, dependiendo
de la altura de sus barreras energéticas éstas pueden desplegarse
espontáneamente, no necesariamente desanudándose. Por tanto, las
proteínas anudadas tienen una ruta de plegamiento adicional cuando este
proceso se inicia a partir de un estado desplegado-anudado. Sin embargo,
las técnicas clásicas de estudio de proteínas no han permitido estudiar el
efecto del de enhebrado de la cadena polipeptídica debido a que no es
posible controlar la topología del estado nativo. En este trabajo, usamos la
técnica de las pinzas ópticas con el objetivo de manipular la topología del
estado desplegado de una proteína anudada pequeña, MJ0366 de
Methanocaldococcus jannaschii, para así comparar su mecanismo de
plegamiento comenzando desde un estado desplegado-desanudado o un
estado desplegado-anudado. Se crearon dos mutantes, una para apretar el
nudo y otra para desatarlo. Cuando el nudo se apretó, MJ0366 mostró un
mecanismo de plegamiento de dos estados, caracterizado por transiciones
únicas de desplegamiento y replegamiento. El largo de contorno calculado a
partir de las transiciones de desplegamiento fue de alrededor de 21 nm. Este
valor es 9 nm más corto de lo esperado, lo cual puede ser explicado por la
presencia de un nudo apretado. Por otra parte, en el caso de la mutante
desanudable, se observaron múltiples transiciones de desplegamiento y
replegamiento. Estos resultados sugieren que el proceso de enhebrado de la
cadena polipepdídica crea un paisaje energético de plegamiento rugoso,
pero una vez que el nudo se forma, éste se suaviza.
Agradecimientos: Fondecyt 1151274, Anillo ACT-1107, CONICYT 21130254.
Molecular Dynamics Simulation of human
Aquaporin 1: influences on water pathway of
Loop A and Ca restrains
57
Rosi P.2 , Costa Almar F.1, Miranda L.2, Ozu M.1 Dorr R.1 and Toriano R.1
1
Lab de Biomembranas, Inst. de Fisiología y Biofísica "Bernardo Houssay" - CONICETUBA. 2 Laboratorio de Síntesis Inorgánica Avanzada. Departamento de Química Inorgánica,
Analítica y Química Física. FCEyN, UBA. [email protected]
The Aquaporins (AQPs) are a family of tetrameric membrane integral proteins
which facilitate water transport across the cell membrane. Each monomer of
AQPs contains a water channel. Our former in vitro results showed that
human AQP1 (hAQP1) is regulated by increments in membrane-tension
caused by osmotic gradient 1 or by co-expression of ENaC. Our present goal
was to study conformational changes in hAQP1 structure as a putative
physiological way to modify water permeability in cells. In silico experiments
were performed by Molecular Dynamics Simulations (MDS), using PDB
templates of two hAQP1 structures deposited in Protein Data Bank under
codes 1FQY and 4CSK: 3.8 Å resolution 1FQY structure solved by electron
crystallography containing 269 residues 2 and 3.28 Å resolution 4CSK
structured solved by X-ray diffraction containing 292 residues 3. MDS
experiments (50ns in explicit aqueous solvent) were carried out under two
different conditions: unrestricted and restricted α-Carbon. In this latter one,
only α-Carbons in the lipophilic region of the monomers were fixed thus this
condition resembles the anchoring of the protein in the cellular membrane.
Both the isolated monomer and the monomer inside the tetramers were
studied. To analyze the water channel profile along dynamic experiments we
used the PoreWalker server. Loop A flexibility was assessed in order to
evaluate the possible interaction with the vestibule of the neighbour monomer,
this one was evaluated by g(r) function and its integral. Furthermore distances
between specific NPA residues were considered.
Conclusions: The tetrameric conformation maintains the structure and
functionality of each monomer which might have an independent behavior
regarding water movement. Environmental influences can cause
conformational changes that might modulate water permeability eventhough
AQP1 was described as a constitutively open channel Loops A interact with
their neighbor monomers and they move in the tetramer independently from
each other.
[1] Ozu M, Dorr RA, Gutiérrez F, Politi MT and Toriano R. Biophysical Journal 104:85–95.
2013
[2] Murata K., Nature 407: 599-605, 2000.
[3] Ruiz Carrillo D. et al. Acta Crystallogr.,Sect.F 70: 1657, 2014.
Generación in silico de patrones de invasión
tumoral
58
Emmanuel Lujan1, Alejandro Soba2, Nicolás Visacovsky1, Liliana Guerra3,
Guillermo Marshall1, Cecilia Suárez1
1 Laboratorio de Sistemas Complejos, Departamento de Computación e Instituto de Física del
Plasma, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires. 2 Centro de
Simulación Computacional CONICET y Comisión Nacional de Energía Atómica. 3
Departamento de Química Biológica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad
de Buenos Aires.
El modelado matemático del crecimiento tumoral basado en ecuaciones de
reacción-difusión que describen la evolución de la proliferación y la
invasión celular es una técnica potente y ampliamente establecida. En
trabajos recientes hemos desarrollado modelos de este tipo que describen el
crecimiento de un glioma en un cerebro humano1 y el crecimiento e
invasión de esferoides multicelulares (modelo in vitro de microtumor en
estadío avascular) en una matriz tridimensional de gel2. En este trabajo
extendemos este último modelo pasando de considerar la invasión tumoral
como un área esférica a reproducir en 2D la forma particular que toma cada
caso experimental específico (simulaciones descriptivas) y a predecir
nuevas formas posibles pertenecientes al mismo patrón de invasión
(simulaciones predictivas). El modelo matemático puede ser descripto por:
en donde se considera una proliferación celular de tipo logístico, una fuente
de células en la superficie del esferoide y una invasión celular con
componentes difusivos y radiales. Las simulaciones descriptivas se realizan
variando radialmente los coeficientes D (difusión) y V (velocidad), luego de
un procesamiento de imágenes. En las simulaciones predictivas se alimenta
al modelo con un conjunto de casos experimentales que pueden ser
considerados como series temporales y analizados por medio de un modelo
del tipo EGARCH. Una vez realizado este análisis, se aplica Monte Carlo
para predecir nuevos casos posibles pertenecientes al mismo patrón. Este
tipo de interacción numérico-experimental que incluye herramientas de
data-mining tiene amplio potencial a la hora de predecir el comportamiento
clínico de un tumor en forma paciente-específica.
[1] Suárez C, et al. PlosOne 7(6): e39616, 2012
[2] Suárez C, et al. BIOMAT 2014
Simulación de un ateroma dentro de un
segmento de la arteria coronaria izquierda
59
Leyde Briceño, Kathiuska Díaz, Eduardo Romero Vecchione
Instituto Nacional de Bioingeniería, Universidad Central de Venezuela, Sebucán, Caracas.
[email protected]
Revertir los ateromas ha sido un objetivo médico de larga data y la
investigación en este campo ha sido incesante. En algunos estudios se ha
logrado una reversión pequeña de las dimensiones del ateroma con el uso de
medicamentos [1], [2], [3], lo que genera un aumento muy grande en la tasa
de sobrevivencia de los pacientes, esta discrepancia ha sido llamada la
paradoja de la reducción del ateroma. Para analizar el cambio que puede
ocurrir en las variables fisiológicas hemodinámicas de la circulación
coronaria, antes y después de la medicación; requeriría de procedimientos
invasivos como el cateterismo de las arterias. Si la obstrucción se reduce, la
mejoría en estas variables hemodinámicas y su magnitud, podrían contribuir
a explicar la paradoja antes mencionada. Por lo que en este estudio se
desarrolló un código utilizando el software Phoenics versión 2009, donde
se parametrizó la estructura de la arteria coronaria considerando la presencia
de un ateroma de área variable y se simuló como una obstrucción dentro de
un segmento de la arteria coronaria izquierda, con el fin de determinar las
variables hemodinámicas ante diferentes porcentajes de obstrucción y
contribuir con la explicación de la paradoja de reducción del ateroma.
[1] Nissen SE, et al. JAMA. 2003; 290: 2292- 2300
[2] Nissen SE, et al. JAMA. 2006; 295: 1556- 1565
[3] Ost CR, et al. Scand J Clin Lab Invest. 1967; 99: 241- 245
Kinetic Modeling of the Connexin 46 Slow
Voltage Gating Mechanism
60
Bernardo Pinto, Isaac Garcia, Agustin Martinez, Ramon Latorre & Carlos
Gonzalez.
Centro Interdisciplinario de Neurociencia de Valparaíso, Facultad de Ciencias, Universidad
de Valparaíso.
Connexins (Cxs) channels communicate the cytoplasm of two adjacent cells
forming a gap junction channel in the apposition zone or they can form the
so called “hemichannels”, a fully functional voltage-gated non-selective ion
channel. Cxs channels have two different gating mechanism termed slow
and fast gating. The slow gating mechanism is regulated by extracellular
pH, extracellular divalent cations and membrane voltage. The deactivation
kinetics of Cx46 hemichannels is well described by two exponentials
functions indicating several steps in the Closed-Open transition. Using two
electrode voltage-clamp in Xenopus laevis oocytes, we study the kinetics of
the slow gating mechanism under different voltage steps. We used a three
state (C-C-O) model and calculated the reaction rates from the macroscopic
current relaxation. From this fitting we can obtain the voltage dependence
of gating reaction. The proposed model reproduces the conductance/voltage
(G/V) curve of the slow gate. We performed this kinetic analysis in mutants
which affect the slow gating (E43Q and ΔCT mutants).We found that ΔCT
mutant mostly affects the activation of the first rate of the channel and
E43Q mutants affects the voltage dependence of the reaction rates. This
methodology can be extended to the fast gating mechanism and be used to
model the gating of the hemichannels and gap junctions.
This work is supported by FONDECYT Grants 1110430 (R.L.), 1120802 (C.G.), 1130855
(A.M.); ANILLO Grant ACT1104 (C.G.); Beca para Estudios de Magíster en Chile Año 2014
(B.P.); CINV is a Millennium Institute supported by the Millennium Scientific Initiative of the
Ministerio de Economía, Fomento y Turismo.
Diseño y construcción de prototipo para la
medición percutánea in vivo de conductividad y
difusividad térmica de tumores óseos
61
J. E. Fajardo, C. M. Carlevaro, R.M. Irastorza, F. Vericat
Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLYSIB-CCT LaPlata-CONICET),
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata, Argentina
Un tratamiento alternativo de tumores óseos es la técnica de ablación por
radiofrecuencia. Se busca calentar por efecto Joule la región afectada
mediante un electrodo percutáneo por el cual se inyecta una corriente de
una frecuencia de 500 kHz. En determinadas zonas, como por ejemplo
tumores cercanos a la médula espinal, es vital controlar el tamaño de lesión.
Por tal motivo, el conocimiento de las propiedades eléctricas y térmicas de
los tejidos es importante para el desarrollo de modelos que permitan
estudiar este tipo de escenario. Basados en la técnica de termistores
autocalentados a temperatura constante, hemos diseñado y construido un
prototipo para la medición in vivo de la conductividad y difusividad
térmica. En este trabajo comentaremos el principio de medición y
calibración del mismo, así como el modelo teórico utilizado para obtener
información a partir de éste montaje experimental.
Identificación de dinámicas neuronales
62
Naybi I. Jiménez, Yu Tang
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, México D.F.
[email protected]
Existe la idea de que los síntomas de ciertos trastornos de movimiento como
la Enfermedad de Parkinson, Epilepsia, entre otros, son causados por una
sincronización no-deseada de ensambles de neuronas. Un tratamiento para
dichas enfermedades es la Estimulación Cerebral Profunda la cual da un
impulso directamente al cerebro, lo que causaría la desincronización1,2.
El objetivo del trabajo es tomar una representación de la dinámica neural
mediante modelos de ensambles de neuronas (masas neuronales) e
identificar el modelo a través de una sincronización adaptable. Una vez
identificado, buscar inhibir la sincronización indeseada a través de un
control de retroalimentación.
La representación de la dinámica es un sistema no lineal que se obtiene a
partir de una simplificación del modelo Jansen-Rit. Para alcanzar los
objetivos, se hace uso de herramientas de la Teoría de control, en específico,
la Teoría de contracción 3,4. La contracción permite un análisis sencillo para
los sistemas no lineales a través de la elección de un sistema virtual
apropiado. La estabilidad se estudia en términos de trayectorias, donde
cualquiera que inicie dentro de la región de contracción convergerá de
manera exponencial.
Los resultados preliminares permiten la identificación de los parámetros del
sistema, siempre y cuando se encuentren en un área cercana al área de
contracción. El trabajo restante consiste en realizar dicha identificación de
manera más robusta y realizar el control necesario para desvanecer la
sincronización no-deseada.
[1] De Paor, A; Lowery, M; UCD, 2009.
[2] Santaniello, S; et al, IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng., 2011
[3] Lohmiller, W; Slotine, J., Automatica, 1998.
[4] Flores, A; Grave, I; Tang, Y; ACC, 2015
Agradecimientos: CONACyT- México
Reconstrucción a escala genómica de una red
metabólica de astrocito humano: Aplicación a
isquemia
63
Cynthia Martin1, Diego Salazar1, George E. Barreto1, Janneth Gonzalez1*
Durante la ultima década los modelos matemáticos de diferentes sistemas
biológicos cerebrales han jugado un papel muy importante en la comprensión
de los datos recolectados por diferentes modalidades “omicas”. Estos han
probado ser una herramienta útil en el análisis de diferentes procesos
bioquímicos llevados a cabo por astrocitos y neuronas. La gran mayoría de
estos modelos se han enfocado en pequeñas partes del metabolismo celular por
lo que no existe una representación completa que aproveche al máximo el
conocimiento metabólico generado alrededor de estas células.
Los astrocitos son las células más abundantes del sistema nervioso central.
Estas tiene un rol importante en el mantenimiento del metabolismo cerebral; ya
que, dan soporte trófico a las neuronas y otras células gliales además de que
poseen una función anti-citotóxica1.
Aquí reportamos una reconstrucción y caracterización del la red metabólica del
astrocito humano basado en datos transcriptomicos 2 y bioquímicos, el objetivo
principal fue reconstruir una red metabólica astrocito humano que incluyera la
gran mayoría de todas las vías de interacción metabólicas presentes en los
astrocitos. La biología de sistemas es una herramienta utilizada con este fin, ya
que permite el desarrollo de modelos para la simulación del metabolismo,
permitiendo una mayor comprensión de éste.
El análisis de balance de flujo (FBA) 3 junto con un muestreo aleatorio
uniforme (Monte-Carlo) y la programación lineal se aplicaron aquí para
analizar estados constantes de la red metabólica que fueran consistentes con las
limitaciones fisicoquímicas impuestas y los datos de flujo disponibles en la
literatura. El modelo fue validado a través de la simulación de condiciones
fisiológicas de excitación e isquemia. Esto demostró que el modelo in-silico de
astrocitos que aquí se presenta es un buen predictor del comportamiento del
astrocito a nivel de flujos y simula los cambios en las actividades metabólicas
en respuesta a las condiciones fisiológicas e isquémicos. El resultado fue un
modelo astrocito humana que incluye 5659 reacciones y 5007 metabolitos
reacciones distribuidas en todos los compartimentos celulares (Extracelular,
citoplasma, mitocondria, retículo endoplásmico, Aparato de Golgi, lisosoma,
peroxisoma y núcleo). Esta es la representación más completa del metabolismo
del astrocito hasta la fecha en términos de su cobertura de una amplia gama de
genes, proteínas y vías metabólicas.
1.
2.
3.
Bouzier-Sore et.a.l Front. Cell. Neurosci. 7, 179 (2013).
Malik, N. et al. PLoS One 9, e96139 (2014).
Orth, J. D., et al. Nat. Biotechnol. 28, 245–8 (2010).
Control adaptable de anestesia basado en un
modelo simple de orden fraccionario
64
Navarro Guerrero Gerardo1, Tang Yu Xu2
1
Programa de Posgrado en Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México,
2
Departamento de Control,
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, [email protected] Lugar
de trabajo
[email protected].
El control de anestesia en pacientes quirúrgicos posee retos interesantes
tales como variabilidad inter e intra paciente, así como la incapacidad de
medir de forma directa la variable a controlar (en este caso el nivel de
inconsciencia), por lo es necesario utilizar mediciones subrogadas.
El modelo comúnmente utilizado para el control de anestesia es el modelo
fármaco cinético-fármaco dinámico el cual tiene una estructura Wiener. La
parte lineal del modelo (fármaco cinética) nos dice como se distribuye el
fármaco en el cuerpo y la parte no lineal (fármaco dinámica) nos dice el
efecto del fármaco sobre el cuerpo.
Las dificultades que posee este modelo para el diseño de controladores son:
parámetros desconocidos, retardo desconocido y los estados del modelo no
están disponibles para su medición en línea, además la señal de control (tasa
de infusión del fármaco en el cuerpo) no es de excitación persistente por lo
que dificulta la identificación del modelo en línea.
Para atacar estos problemas se propuso un modelo simple de orden
fraccionario y paralelo a esto se diseñó un algoritmo de identificación
basado en la teoría de estabilidad de Lyapunov para estimar los parámetro
de este modelo, y se muestra que el modelo es capaz de capturar el
comportamiento del modelo fármaco cinético-fármaco dinámico de
anestesia. Después se diseñó un algoritmo de control adaptable con modelo
de referencia basado en el modelo propuesto, asegurando estabilidad del
sistema en lazo cerrado y la convergencia del error de seguimiento a cero
[1].
[1] Gerardo Navarro-Guerrero and Yu Tang, IEEE CDC 2015, Diciembre 2015.
A mis padres y hermano, a la UNAM y al Dr. Tang por su apoyo y al CELFI por la
oportunidad de participar en esta conferencia.
Coarse grain approach to study activation
mechanism in Histidine Kinases
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Franco Marsico, Mehrnoosh Arrar, Claudia L. Ramirez and Marcelo A.
Marti.
Departamento de Química Biológica-IQUIBICENCONICET, Departamento de Química
Inorgánica, Analítica y Química Física-INQUIMAE .Facultad de Ciencias Exactas y
Naturales, Universidad de Buenos Aires. [email protected]
Coarse grain method consist in the reduction of number of particles in molecular dynamics
systems. In Coarse these models a group of atoms are treated as simple particles. In these case
we use the Voth et al. Approach. The application of this model derives in the reduction of the
computational cost and let us to obtain longer MD. In the study of allosteric activation
mechanism the time is the principal limitation. Our system of study is CpxA, a bacterial
Histidine kinase (HK). These proteins are dimeric receptors that participate in most adaptive
responses to environmental changes in prokaryotes. Stimulus perception triggers
autophosphorylation in many HKs, little is known on how the input signal propagates through
the HAMP domain to control the transient interaction between the histidinecontaining and
ATPbinding domains during the catalytic reaction. With the steered molecular dynamics
method (using RMSD as reaction coordinate) and the coarse grain model, we study the
transition between the two states (active and inactive). Our results show that is necessary a
time of 100 ns as minimum to obtain a stable transition.