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Dirección: Dirección: Biblioteca Central Dr. Luis F. Leloir, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires. Intendente Güiraldes 2160 - C1428EGA - Tel. (++54 +11) 4789-9293 Contacto: Contacto: [email protected] Tesis Doctoral Detección, localización y análisis de Detección, localización y análisis de eventos singulares de eventos singulares de reconocimiento molecular mediante reconocimiento molecular mediante microscopías avanzadas microscopías avanzadas von Bilderling, Catalina 2013 Este documento forma parte de la colección de tesis doctorales y de maestría de la Biblioteca Central Dr. Luis Federico Leloir, disponible en digital.bl.fcen.uba.ar. Su utilización debe ser acompañada por la cita bibliográfica con reconocimiento de la fuente. This document is part of the doctoral theses collection of the Central Library Dr. Luis Federico Leloir, available in digital.bl.fcen.uba.ar. It should be used accompanied by the corresponding citation acknowledging the source. Cita tipo APA: von Bilderling, Catalina. (2013). Detección, localización y análisis de eventos singulares de reconocimiento molecular mediante microscopías avanzadas. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Cita tipo Chicago: von Bilderling, Catalina. "Detección, localización y análisis de eventos singulares de reconocimiento molecular mediante microscopías avanzadas". Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. 2013.

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Page 1: Detección, localización y análisis de eventos singulares ... · solamente, el ovillo no es un hilo arrollado sobre sí, dentro del mundo del ovillo entrevé ahora tu sorpresa

Di r ecci ó n:Di r ecci ó n: Biblioteca Central Dr. Luis F. Leloir, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires. Intendente Güiraldes 2160 - C1428EGA - Tel. (++54 +11) 4789-9293

Co nta cto :Co nta cto : [email protected]

Tesis Doctoral

Detección, localización y análisis deDetección, localización y análisis deeventos singulares deeventos singulares de

reconocimiento molecular mediantereconocimiento molecular mediantemicroscopías avanzadasmicroscopías avanzadas

von Bilderling, Catalina

2013

Este documento forma parte de la colección de tesis doctorales y de maestría de la BibliotecaCentral Dr. Luis Federico Leloir, disponible en digital.bl.fcen.uba.ar. Su utilización debe seracompañada por la cita bibliográfica con reconocimiento de la fuente.

This document is part of the doctoral theses collection of the Central Library Dr. Luis FedericoLeloir, available in digital.bl.fcen.uba.ar. It should be used accompanied by the correspondingcitation acknowledging the source.

Cita tipo APA:

von Bilderling, Catalina. (2013). Detección, localización y análisis de eventos singulares dereconocimiento molecular mediante microscopías avanzadas. Facultad de Ciencias Exactas yNaturales. Universidad de Buenos Aires.

Cita tipo Chicago:

von Bilderling, Catalina. "Detección, localización y análisis de eventos singulares dereconocimiento molecular mediante microscopías avanzadas". Facultad de Ciencias Exactas yNaturales. Universidad de Buenos Aires. 2013.

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UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES

Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Departamento de Física

Detección, localización y análisis de eventos singulares de

reconocimiento molecular mediante microscopías avanzadas

Trabajo de Tesis para optar por el título de

Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área Ciencias Físicas

por Catalina von Bilderling

Directoras de Tesis: Dra. Lía I. Pietrasanta y Dra. Andrea V. Bragas

Consejera de estudios: Dra. Silvina Ponce Dawson

Lugar de Trabajo: Centro de Microscopías Avanzadas y Laboratorio de Electrónica

Cuántica, FCEyN, UBA.

Marzo 2013

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A mis padres Silvia y Carlos

a mis hermanos Clara y Hase

y a mi amiga Meri

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Del mismo modo que el ovillo está ahí (o la madeja, su pequeño mar fofo naranja o verde

sobre la falda) y vos tirás de una punta, entonces la punta se entrega, la sentís ceder

desenvuelta, oh pibe qué estupendo tirar y tirar, sobre un cachito de cartón vas envolviendo el

hilo para hacer un buen ovillo sin nudos, nada de ovillado, algo continuo y terso como la

avenida General Paz. Perfectamente sacás el hilo y te parece que después de todo el otro

ovillo no estaba tan enredado, empezás a pensar que estás perdiendo el tiempo, siempre el

hilo viniendo mansito a ponerse sobre sí mismo en el cartón, lo de más abajo tapado por lo de

más arriba que en seguida es lo de más abajo ([...])

porque viene otra capa de hilo a arrollarse por encima –que en seguida es lo de

más abajo.

Todo va así perfectamente, y a vos te parece que estás perdiendo el tiempo porque el

ovillo no estaba enredado, el hilo viene y viene sin tropiezo, parece increíble que de esa masa

glutinosa nazca el hilillo claro que sube por el aire hasta tu mano. Y entonces oís (los dedos

sienten sonar esta ruptura terrible) que algo se resiste, se pone de pronto tenso, el hilo zumba

envuelto en su polvillo de talco y pelusa, un nudo cierra la salida, cierra el ritmo feliz, el

ovillo estaba enredado

en

redado

ahí dentro entonces hay cosas que no son el hilo

solamente, el ovillo no es un hilo arrollado sobre sí, dentro del mundo del ovillo entrevé

ahora tu sorpresa cosas que no son hilo, ahora ya sabés que hilo más hilo no basta para dar

ovillo. Un nudo, qué es un nudo, hilo mordiéndose, sí pero nudo, no solamente hilo dentro de

hilo. Nudo otra cosa que hilo. Globo terrestre ovillo, ahora ves mares, continentes...

Julio Cortázar, Divertimento.

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Resumen

Las células pueden ser concebidas como dispositivos capaces de procesar

información bioquímica, cuya respuesta al entorno depende del estado funcional de

proteínas organizadas espacialmente en una compleja red. Entender la función celular

integrando la actividad molecular con la organización espacial representa un gran

desafío para la biología moderna.

Las fuerzas mecánicas tienen un papel importante en la organización,

crecimiento, maduración y función de los tejidos. A nivel celular la transmisión de las

fuerzas externas, a través de las adhesiones focales (FAs) y uniones adherentes,

parece controlar la maduración o el ensamblado de estas adhesiones e iniciar las

cascadas de señalización. En respuesta a las fuerzas aplicadas externamente, las

células reacondicionan activamente la organización y la actividad contráctil del

citoesqueleto y redistribuyen sus fuerzas intracelulares. Con el objetivo de estudiar la

regulación dinámica de los contactos adhesivos y la arquitectura del citoesqueleto de

la célula así como su influencia en la señalización celular, en este trabajo de Tesis se

estudió la relación entre una fuerza (local o global) aplicada a la célula y el

ensamblado, mecánica y dinámica de las adhesiones focales. El objetivo principal de

este trabajo fue estudiar la respuesta dinámica de las proteínas de las FAs ante un

estímulo mecánico controlado. En este contexto, se implementaron y desarrollaron

técnicas de Microscopía de Fluorescencia, Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) y

Espectroscopía de Fuerza (FS) aplicadas a distintos sistemas biomoleculares, desde

plataformas biomiméticas hasta células vivas. Se optimizaron las mediciones de

fuerza a nivel intermolecular y se investigaron la dinámica de las proteínas y las

interacciones proteína-proteína en las FA de células vivas.

Se implementó la FS mediante el estudio de las fuerzas de interacción entre

grupos funcionales químicos y el sistema modelo ligando-receptor, biotina-

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ii

estreptavidina. Se logró caracterizar la fuerza de interacción a nivel de moléculas

individuales entre el sitio de unión RGD de la fibronectina y su receptor, la proteína

integrina, en la membrana de células HC11 in vivo. Se obtuvo una fuerza característica

de ruptura del complejo RGD-integrina de (37.6 ± 0.7) pN.

Se expresaron las proteínas de las FAs zixina, vinculina, FAK, paxilina, integrina

y actina unidas a proteínas fluorescentes visibles (VFPs) en células epiteliales

mamarias de ratón HC11. Se diseñó y construyó un dispositivo estirador de células,

para explorar la relación entre un estímulo mecánico global y los cambios en la

dinámica y en las interacciones entre las proteínas. Mediante técnicas de microscopía

de fluorescencia como FRAP (Recuperación de la Fluorescencia luego del

Fotoblanqueo), FRET (Transferencia de Energía Resonante de Förster) y N&B

(Número y Brillo), se estudió el estado mecánico general de las FAs, determinando la

tasa de disociación de las proteínas a las FAs (koff) y el estado de agregación de las

mismas.

Se trabajó en la adaptación de un microscopio combinado AFM/ Fluorescencia

desarrollado en el Laboratorio de Electrónica Cuántica (FCEN-UBA) para su utilización

en condiciones fisiológicas y con células vivas. Se demostró que dicho microscopio es

capaz de obtener imágenes combinadas en condiciones fisiológicas, con alta calidad

óptica y con un rango vertical para AFM que permite que la visualización de células in

vivo sea de rutina. Mediante la medición de las fuerzas de interacción entre el par

ligando-receptor biotina-estreptavidina, se corroboró que el microscopio combinado

alcanza la resolución requerida para cuantificar fuerzas de interacción entre moléculas

individuales. Utilizando este nuevo microscopio combinado, se estudió mediante

fluorescencia la evolución temporal de las proteínas de las FAs, zixina y vinculina, en

respuesta a un estímulo mecánico local aplicado por AFM con un sensor de fuerza

funcionalizado. Se observó el remodelado de las FAs maduras y el reclutamiento de la

proteína vinculina para la formación de nuevas FAs en respuesta a la fuerza local

aplicada.

En este contexto, se presenta una estrategia novedosa que permite obtener

imágenes de alta resolución y medir fuerzas al nivel de moléculas individuales en tiempo

real. Nuestra estrategia combina metodologías de alta resolución para sensar y

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iii

caracterizar cambios físicos/bioquímicos en células vivas. En conclusión, se

implementaron técnicas de AFM y fluorescencia para estudiar algunos aspectos de la

compleja maquinaria celular. De la correlación directa de estas técnicas en el nuevo

microscopio combinado estaríamos en condiciones de abordar nuevos desafíos

fundamentales en el entendimiento de la biofísica y la biología celular.

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v

Detection, localization and analysis of single molecular

recognition events using advanced microscopies

Abstract

The cell can be conceived as a biochemical information-processing device

whose response to the environment depends on the state of spatially organized

networks of protein activities. Understanding cell function by integrating molecular

activities with spatial organization is an important challenge for modern biology.

Mechanical forces play an important role in the organization, growth,

maturation, and function of living tissues. At the cellular level, many of the biological

responses to external forces originate at two types of specialized structures: focal

adhesions and adherent junctions. In order to explore the dynamic regulation of

adhesive contacts and of the cytoskeleton architecture of cells, as well as its resultant

influence on cellular activities, we are focused on the relationship between local force

applied to the cell and the assembly, mechanics and dynamics of focal adhesions (FA).

The goal of our work is to study the dynamic response of FA proteins when a precise

and punctual force is applied. In this context, we have applied Fluorescence

Microscopy (FM), Atomic Force Microscopy (FM) and Force Spectroscopy (FS)

techniques on different biomolecular systems -from biomimetic platforms to living

cells- in order to optimize force measurements at the intermolecular level and

investigate protein dynamics and protein-protein interactions on FA of living cells.

We have implemented FS measurements by studying the interaction forces

between chemical functional groups and the well known ligand-receptor pair, biotin-

streptavidin. We were able to characterize the fibronectin binding site RGD-integrin

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interaction at the single molecule level by measuring rupture forces between RGD

functionalized probe-tips and the integrin receptors in the membrane of living HC11

cells. We found a characteristic interaction force of (37.6 ± 0.7) pN for the single RGD-

integrin complex.

We have expressed in HC11 epithelial mammalian living cells the FA

component proteins zyxin, vinculin, FAK, paxilin, integrin and actin tagged with visible

fluorescent proteins (VFPs), and also designed and constructed a cell stretching device

to explore the relationship between a global mechanical stimulus and changes in

protein dynamics and interactions. By fluorescence techniques such as fluorescence

recovery after photobleaching (FRAP), Förster Resonance Energy Transfer (FRET) and

Number and Brightness (N&B), we studied the mechanical state of the FAs,

determining the dissociation rate constant parameter (kOFF) and the aggregation state

of different FAs proteins.

We worked on the adaptation of a combined AFM/Fluorescence microscope,

designed and assembled at the Quantum Electronics Lab (FCEyN-UBA) for working

under physiological conditions in liquid environments. The combined microscope was

tested and validated by successfully imaging of living cells. We also validated the

possibility of measuring interaction forces based on molecular recognition of the pair

biotin-streptavidin. With this novel combined microscope we studied by fluorescence

the temporal evolution of the FAs proteins, vinculin and zyxin, in response to a

mechanical local and functional stimulus applied with an AFM force-probe. We were

able to observe the remodeling of mature FAs and the recruitment of vinculin to form

nascent FAs in response to the locally applied force.

In this context, we present a new approach that can be employed for real-time,

high-resolution imaging and measurements of forces at the single molecule level. Our

strategy combines very highly sensitive technologies for probing and detection of

biochemical/physical changes within living cells. In summary, we implemented both AFM

and fluorescence techniques to study some aspects of the complex molecular machinery

of the cell. From the direct correlation of these techniques in the new combined

microscope we may now afford a new level of insight into cell biology and biophysics.

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ix

Índice General

I. Introducción general

I.1 Interacciones moleculares............................................................................

4

I.2 Nanotecnología y microscopías avanzadas para el estudio de

interacciones biomoleculares...........................................................................

4

I.3 Mecánica y fuerzas en sistemas biológicos: el mecanoma.......................... 5

I.4 Mecanotransducción celular: interacciones moleculares citoesqueleto-

membrana-matriz extracelular.........................................................................

8

I.5 Objetivos de este trabajo de Tesis............................................................... 11

I.6 Referencias................................................................................................... 13

II. Fundamentos e implementación de las técnicas experimentales

II.1 Microscopía de Fuerza Atómica………………………………...............……………

17

II.1.1 El Microscopio de Fuerza Atómica……………………………...........……... 19

II.1.2 Sensores de fuerza……………………………………….......………............... 24

II.1.3 Espectroscopía de Fuerza …………………………………………..............…. 27

II.1.4 Calibración de la constante elástica de los sensores de fuerza.

Desarrollo de herramientas para su implementación en el Centro de

Microscopías Avanzadas (CMA).................................................................

30

II.1.5 Funcionalización de los sensores de fuerza y espectroscopía de

fuerza a través de espaciadores flexibles...........………………………..............

32

II.1.6 Referencias........................................................................................ 35

II.2 Microscopía de Fluorescencia………………....................................................

37

II.2.1 El Microscopio de Fluorescencia…………………………………….............. 39

II.2.2 Microscopía confocal de barrido láser……………….............................. 40

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x

-El microscopio confocal Olympus FV1000 espectral......................... 41

II.2.3 Proteínas fluorescentes en el visible (VFPs)..…….…………………..…….. 44

- Proteína verde fluorescente (GFP)………………….............……………. 45

- Proteínas fluorescentes derivadas de GFP....................................... 46

II.2.4 Fotoblanqueo………….................................................................……. 47

II.2.5 Técnicas asociadas a la Microscopía de Fluorescencia………….....……. 48

II.2.5 a FRET………………………………………………………....................... 49

II.2.5 b FRAP……………………………………………………..............………… 50

II.2.5 c N&B…………………………………...………………....................……. 51

- Modificación para modo pseudo-conteo de fotones y calibración de los

detectores.................................................................................................

54

II.2.6 Referencias....................................................................................... 57

II.3 Microscopía Combinada AFM-Fluorescencia..............................................

59

II.3.1 Microscopía Combinada AFM-óptica................................................. 61

II.3.2 El microscopio combinado del laboratorio de Electrónica Cuántica.... 61

II.3.3 Adaptación del microscopio combinado para trabajar en condiciones

fisiológicas.................................................................................................

65

II.3.4 Microscopía de fluorescencia. Caracterización de la iluminación y

ruido de fondo para el análisis cuantitativo de las imágenes.......................

67

II.3.4 a Iluminación............................................................................. 67

II.3.4 b Ruido de fondo....................................................................... 68

II.3.4 Referencias........................................................................................ 69

II.4 Cultivo celular y dispositivo estirador de células vivas………………..........…

71

II.4.1 Cultivo celular: línea celular utilizada .....……………………………........... 73

II.4.2 Protocolos de cultivo celular y crio-preservación .....………………........ 74

II.4.3 Transfecciones ...............................…………………………………............ 74

II.4.4 Proteínas expresadas y plásmidos …………………………………............. 76

II.4.5 Dispositivo estirador de células vivas: diseño y calibración del

estiramiento..............................................................................................

79

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xi

II.4.6 Referencias....................................................................................... 82

III. Microscopía de fuerza atómica y espectroscopía de fuerza

avanzadas: visualización y propiedades mecánicas. Detección y

localización de eventos singulares de reconocimiento molecular.

Capítulo 1. Caracterización de un biosensor amperométrico-enzimático

basado en reconocimiento molecular……………………………..............................

87

1.1 Introducción…………………………………………………..................………….. 89

1.2 Biosensor de glucosa capa-por-capa……………………………………........... 89

Uso de capas bioensambladas de dextrano como barreras................ 91

1.3 Estudio de la topografía de cada capa mediante Microscopía de Fuerza

Atómica……………………………………………………………....................………...

93

1.4 Conclusiones……………………………………………………………................... 96

1.5 Referencias.......................................................................................... 97

Capítulo 2. Microscopía de Fuerza Atómica para la medición de fuerzas de

interacción entre moléculas………………………………………...…...........................

99

2.1 Introducción……………………………………………………........................….. 101

2.2 Microscopía de Reconocimiento Químico: interacciones CH3-CH3 y

COOH-COOH……………………………….………………………...................………

102

2.2.1 Antecedentes………………………………………………...................... 102

2.2.2 Modificación de sensores de fuerza y sustratos mediante

alcanotioles …………………………...………………………...................…….

103

2.2.3 Visualización de patrones por fricción…………………...........….… 104

2.2.4 Fuerzas de interacción …………………………………...............….… 106

2.3 Microscopía de Reconocimiento Molecular: interacción del complejo

biotina-estreptavidina…………………………………………………..….........………

108

2.3.1 Antecedentes………………………...……………………...................… 108

2.3.2 Modificación de sensores de fuerza y sustratos.……….....…….… 109

2.3.3 Fuerzas de interacción …………………………………….................… 111

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xii

2.4 Interacción RGD-integrina………………………………………….................... 112

2.4.1 Antecedentes en el estudio de la interacción fibronectina-

integrina ………………………...…………………….....................................

112

2.4.2 Preparación de células y funcionalización de los sensores de

fuerza................................................................................................

114

2.4.3 Fuerzas de interacción RGD-integrina en células vivas.............. 115

2.5 Conclusiones........................................................................................ 117

2.6 Referencias.......................................................................................... 117

IV. Microscopía de fluorescencia multidimensional: visualización,

localización y distribución de los complejos adhesivos. Análisis del

estado mecánico de una célula viva, determinación de las constantes

cinéticas, correlación entre concentración y estado de agregación de

los complejos de adhesión.

Capítulo 3. Expresión y visualización de proteínas de las adhesiones focales

por Microscopía Confocal de Fluorescencia……..................................…......…..

121

3.1 Introducción………………………………………………................................... 123

3.2 Células HC11 para las mediciones de fluorescencia............................... 123

3.2 Visualización de proteínas de las adhesiones focales en células HC11… 124

3.3 Estiramiento mecánico de células vivas en cultivo…................…….....… 127

3.4 Conclusiones……………………………..................……............................... 131

3.5 Referencias........................................................................................... 132

Capítulo 4. Determinación de las constantes cinéticas de proteínas de las

adhesiones focales mediante Recuperación de la Fluorescencia después del

fotoblanqueo (FRAP)……….………………..………….................………….............….

133

4.1 Introducción……………………………..................………….......................... 135

4.2 FRAP en adhesiones focales: experimento y modelos.......................... 135

Modelo de recuperación en adhesiones focales................................. 138

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xiii

4.3 Parámetros de la cinética molecular de proteínas de las adhesiones

focales mediante FRAP..............................................................................

142

4.4Respuesta de la cinética de zixina ante estímulos mecánicos y

diferencias en la composición y rigidez de la matriz extracelular................

144

4.5 Conclusiones………….................…………………………............................. 147

4.6 Referencias.......................................................................................... 150

Capítulo 5. Determinación del estado de agregación de proteínas de

adhesiones focales en células vivas por Número y Brillo (N&B)…....................

153

5.1 Introducción…………………………………………………………….................... 155

5.2 N&B en adhesiones focales. Experimento y análisis.....……................... 155

Calibración del brillo molecular del monómero.................................. 157

5.3 Caracterización del estado de agregación de proteínas de las

adhesiones focales.....................................................................................

158

5.4 Estudio del estado de agregación de la proteína de adhesiones focales

zixina en respuesta a un estímulo mecánico………………………...........……...

161

5.5 Estado de agregación de la proteína zixina durante el desensamblado

de una adhesión focal………………………………………………….................…...

162

5.6 Conclusiones…………………………………………………………..................…. 164

5.7 Referencias.......................................................................................... 165

Capítulo 6. Sensor de tensión de vinculina: caracterización de fuerzas

mecánicas en células vivas por transferencia de energía resonante de

Förster (FRET)………..........................................................................................

167

6.1 Introducción…………………………………………………………….................... 169

El sensor de vinculina………………………………………......….................. 169

6.2 FRET por Ratio-imaging……………………………………………….................. 171

6.3 Controles por sangrado espectral.…………………………….…….............… 172

6.4 Visualización del sensado de tensión in vivo…................................…… 174

6.5 Conclusiones…………………………………………………………..................…. 177

6.6 Referencias.......................................................................................... 177

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xiv

V. Microscopía multi-análisis AFM/fluorescencia: visualización, detección, integración y respuesta. Reclutamiento de proteínas de

las adhesiones focales en respuesta a un estímulo mecánico local y

funcional.

Capítulo 7.......................................................................................................... 181

7.1 Introducción......................................................................................... 183

7.2 Detección de fuerzas en el orden de los pN. Sistema ligando-receptor:

biotina-estreptavidina................................................................................

183

7.3 Visualización de adhesiones focales en células vivas............................. 185

7.4 Combinación de topografía y fluorescencia para estudiar células vivas. 186

7.5 Experimentos en respuesta a un estímulo mecánico local..................... 187

7.5.1 Evolución temporal de la proteína adhesiva zixina en respuesta

a un estímulo mecánico local.............................................................

191

7.5.2 Evolución temporal de la proteína adhesiva vinculina en

respuesta a un estímulo mecánico local.............................................

198

7.5 Conclusiones........................................................................................ 202

7.6 Referencias........................................................................................... 203

VI. Conclusiones generales y perspectivas…………........................……….....

205

VII. Agradecimientos…................................…………........………......................

211

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I. Introducción general

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Una función celular es el resultado de una compleja secuencia de interacciones

moleculares, interacciones que representan cada eslabón de una cascada de señalización.

En este contexto, la estrategia de este trabajo de Tesis consistió en combinar distintas

técnicas de microscopía de fluorescencia y de microscopía de fuerza atómica (AFM),

que nos permitieron visualizar y localizar complejos multiproteicos en células, analizar

su dinámica y estado de agregación, caracterizar las interacciones ligando-receptor,

perturbar externamente la superficie celular, y observar la respuesta de la célula en

distintas condiciones.

En conjunto, este trabajo de Tesis consistió en la puesta a punto de diferentes

metodologías que permitieron estudiar interacciones entre biomoléculas, y la utilización

de dichas técnicas en diferentes sistemas: desde plataformas biomiméticas hasta células

vivas. Se trata de un trabajo de carácter interdisciplinario, en el que se desarrollaron y

combinaron herramientas de nanotecnología, microscopías y espectroscopías avanzadas,

fisicoquímica de superficies y biología molecular y celular. La combinación de todas

estas disciplinas resulta necesaria dada la complejidad del tipo de preguntas biológicas

que queremos contestar.

En esta sección describo cómo se dan en general las interacciones moleculares

en el complejo sistema de una célula viva, y en particular de qué se trata y qué

conocemos acerca del proceso de mecanotransducción celular, nuestro proceso

biológico de interés. Pretendo así dar el marco en el que surge el desafío de combinar

las diversas técnicas biofísicas que se abordaron en este trabajo de Tesis para responder

sólo algunas preguntas en el complejo marco de dicho proceso biológico.

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I. Introducción

4

I. 1 Interacciones moleculares

Las células pueden ser concebidas como dispositivos capaces de procesar

información bioquímica, cuya respuesta al entorno depende del estado funcional de

proteínas organizadas espacialmente en una compleja red. Entender la función celular

integrando la actividad molecular con la organización espacial representa un gran

desafío para la biología moderna. La gran heterogeneidad en la estructura y en la

composición de las células requiere de mediciones en condiciones fisiológicas en una

escala de tiempo que van desde décimas de segundo hasta los minutos y días. Además,

la naturaleza molecular de las cascadas de señalización y las fuerzas de interacción

involucradas demandan una sensibilidad en la escala de los nanómetros y a nivel de

piconewtons.

La intercomunicación celular se da a través de señales de todo tipo (hormonas,

citocinas, factores de crecimiento, pequeños péptidos, etc.) que regulan la proliferación,

la diferenciación, el metabolismo, el comportamiento celular, e incluso la muerte celular

programada (apoptosis). Cuando una molécula (ligando) llega para comunicar cierta

información a la célula, interacciona con su respectivo receptor y se produce la

activación de rutas específicas de transducción de señales. Seguidamente, las señales

son transmitidas hacia el interior de la célula, hasta los puntos en que se regula el

metabolismo, la transcripción y la traducción de genes para generar la respuesta

adecuada. Cada señal extracelular es transducida a través de múltiples rutas, o cascadas

de señalización, en las que intervienen numerosas proteínas que interactúan ganando

y/o perdiendo su actividad biológica mediante diversas modificaciones tales como

fosforilación, desfosforilación y translocación intracelular. Entender cómo la célula

ensambla estos complejos proteicos de señalización resulta crítico para descifrar los

procesos que se dan en enfermedades, y por lo tanto de esencial importancia para

diseñar estrategias terapéuticas.

I.2 Nanotecnología y microscopías avanzadas para el estudio de interacciones

biomoleculares

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I. Introducción

5

El principal desafío de la biología actual es descifrar la arquitectura jerárquica de

las redes moleculares que componen las cascadas de señalización y su funcionamiento.

Para ello se requiere una comprensión cuantitativa acerca de cómo los componentes

moleculares de las células interactúan unos con otros y cómo se organizan en módulos

funcionales con tareas discretas específicas que una única clase de moléculas no podría

cumplir. En este sentido, las herramientas desarrolladas por la nanotecnología han

comenzado a dilucidar algunas piezas de este entramado rompecabezas y nos han

permitido avanzar en el conocimiento de cómo trabajan las células.

Tanto la nanotecnología como las microscopías avanzadas han aportado en los

últimos años una diversidad de técnicas que permiten estudiar las características

biofísicas y químicas de las moléculas y sus ensamblados. Esto incluye el seguimiento

de las moléculas en su movimiento dentro de la célula con alta resolución espacio-

temporal desde su síntesis hasta su degradación1, y el potencial sensado de las fuerzas a

las que son sometidas2. Ha sido también posible analizar la cinética de los procesos de

ensamblado molecular in vivo3, obtener información cuantitativa de la cinética de las

modificaciones químicas de todos los componentes moleculares asociados a una dada

cascada de señalización, y cómo estas cascadas se interrelacionan4. Mediante el uso de

microscopías avanzadas se ha podido no sólo visualizar, sino también detectar (sensar)

y cuantificar la interacción entre biomoléculas correlacionando esta información con la

localización espacial, lo cual resulta de esencial importancia en el contexto de una

célula.

I.3 Mecánica y fuerzas en sistemas biológicos: el mecanoma

La genómica y en general las áreas definidas con el sufijo “ómica” como la

proteómica entre otras, abarcan poderosas herramientas a nivel de sistemas en biología.

Todas ellas están basadas en grandes avances en instrumentación y computación, tales

como secuenciadores de ADN y espectrómetros de masa, críticos en lo que se

denomina la “secuenciación” del genoma humano. En este sentido, en biofísica y

biomecánica se han producido significativos avances en los métodos experimentales, y

el desarrollo de nuevas microscopías han hecho posibles mediciones de alta resolución a

nivel celular y molecular . El mecanoma se ha definido para describir el rol general de

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I. Introducción

6

la fuerza y la mecánica en biología. Así como el genoma, el mecanoma promete superar

nuestro entendimiento de la maquinaria biológica y abrir nuevas estrategias que

permitan combatir enfermedades.

Muchos procesos en enfermedades son de naturaleza mecánica. Por ejemplo, el

cáncer progresa de muchas maneras mecánicas5, como la maquinaria de la infección

viral responsable de la hepatitis B, el virus de papiloma humano y otros tipos de cáncer

relacionados. La metástasis involucra el desprendimiento de las células tumorales desde

el sitio inicial de crecimiento, su migración, circulación, y subsecuente invasión a través

de la adhesión a nuevos lugares del organismo6. Cambios intracelulares en células

cancerosas traen aparejados un crecimiento y proliferación celular, motilidad y adhesión

anormales.

Los procesos mecánicos son críticos, no sólo a nivel molecular sino también en

tejidos y a niveles más altos de organización. De hecho la mecánica del entorno

extracelular es un factor importante en el destino de la célula. Células madre cultivadas

en sustratos de diferente dureza se diferencian en distintos tipos celulares. Por ejemplo,

células madre mesenquimales crecidas en matrices con elasticidades similares a las de

cerebro (1 kPa), músculos (10 kPa) y huesos (100 kPa) se diferencian en células tipo

neuronas, células musculares y osteoblastos respectivamente7.

Con el avance en instrumentación y métodos experimentales actuales, estamos

en condiciones de dilucidar el mecanoma a nivel molecular. Por ejemplo, la microscopía

de fuerza atómica, que permite aplicar fuerzas controladas a estructuras mientras se las

visualiza con resolución nanométrica, puede ser utilizada para medir transiciones

mecánicas en el desplegado de proteínas8, la ruptura de uniones moleculares

individuales9 y la movilidad de motores moleculares10.

Este tipo de mediciones requieren sensibilidad en un amplio rango de fuerzas.

En la Tabla I.1 se presentan algunos ejemplos de fuerzas características de ciertos

procesos que van desde niveles celulares hasta niveles moleculares. Un amplio abanico

de metodologías para sensar fuerzas se complementan para cubrir todo este rango de

fuerzas. En él se incluyen la microscopía de fuerza atómica (AFM), la

micromanipulación con micropipetas, pinzas magnéticas y pinzas ópticas. Las pinzas

ópticas, una técnica establecida en la investigación de la biofísica de moléculas

individuales, es también una herramienta muy utilizada para sensar interacciones

moleculares en motores biológicos e interacciones ligando-receptor11.

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I. Introducción

7

Proceso

Fuerza requerida / generada

Referencia bibliográfica

Contracción celular ~2 �N 12

Ruptura de enlace covalente ~4 nN 13

Desplegado de dominios de proteínas

solubles en agua ~100-200 pN 14

Desplegado y separación de proteínas

de membrana desde la bicapa lipídica ~100-150 pN 15

Ruptura de interacciones ligando -

receptor ~20-200 pN 16

Proteínas motoras del citoesqueleto ~2-10 pN 17

Tabla I.1 Fuerzas características de procesos celulares (adaptado de18).

La Microscopía de fluorescencia es otra técnica muy poderosa para observar

moléculas individuales. Con los últimos avances en esta tecnología, la misma puede ser

usada para seguir motores moleculares marcados fluorescentemente con resolución

nanométrica19. Los métodos de transferencia de energía resonante de Förster (FRET)20

entre un par de fluoróforos proporcionan una regla molecular con una dependencia en

distancia (r) de 1/r6 en la escala de unos pocos nanómetros, lo que las vuelve muy útiles

para monitorear cambios conformacionales21.

Muchos otros avances, como los métodos de cortes láser, la recuperación de la

fluorescencia luego del fotoblanqueo (FRAP)22, la liberación fotoactivada de

compuestos y las mediciones resueltas en el tiempo se pueden integrar para producir

nuevas herramientas muy poderosas.

La evolución también fue muy importante en la tecnología de los ensayos, la

biología molecular y la química de las funcionalizaciones. Las estrategias de biología

molecular, como la posibilidad de utilizar la proteína verde fluorescente23 (GFP) para

marcar genéticamente las proteínas de interés, han hecho progresar el área

significativamente. Se han desarrollado también nuevas sondas, como colorantes

orgánicos intensificados o puntos cuánticos (quantum dots) que permiten visualizar

moléculas individuales por períodos extensos de tiempo24.

Con las herramientas y los avances en los ensayos descriptos, se puede decir que

estamos empezando a sensar la maquinaria de la naturaleza. Se espera así avanzar en un

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I. Introducción

8

entendimiento cuantitativo de la maquinaria molecular y celular, medir las fuerzas y

dilucidar los pasos mecánicos involucrados en el mecanoma. Una vez que entendamos

las leyes físicas que gobiernan los sistemas biológicos y podamos entender la

maquinaria de la naturaleza, seremos eventualmente capaces de “secuenciar” el

mecanoma.

I.4 Mecanotransducción celular: interacciones moleculares citoesqueleto -

membrana - matriz extracelular

La mayoría de las células en órganos y tejidos están sujetas a estímulos

mecánicos externos constantes, los cuales modulan casi todos los aspectos de la función

celular, mantenimiento de la forma y función del tejido25. Cada proceso de la superficie

celular se basa en fuerzas moleculares que reflejan la compleja relación que existe entre

interacciones químicas, biológicas y físicas26. Dilucidar cuándo y dónde ciertas

interacciones determinan procesos biológicos en una célula es como descifrar un

lenguaje molecular básico. Entender este lenguaje significa describir cómo un receptor

de membrana plasmática encuentra a su ligando específico, cómo y dónde se unen los

ligandos, y por qué mecanismo los ligandos cambian el estado funcional de su blanco.

También incluye describir cómo las interacciones celulares modulan el ensamblado de

las moléculas y el estado funcional de los receptores de la superficie celular. Así, las

células generan, sensan, resisten y responden a fuerzas mecánicas en un rango de

fuerzas va desde unos pocos pN hasta nN12,17. Para entender cómo los sistemas

biológicos responden al estrés mecánico, las fuerzas a las cuales se disocian los

ensamblados moleculares, es relevante considerar los eventos de ruptura de las

interacciones y los de desplegado de dominios moleculares. Comenzando a nivel de

moléculas individuales, la ruptura del enlace covalente C-C es de ~4 nN13. Esto es

considerablemente más grande que la fuerza que se necesita para desplegar un dominio

proteico de la proteína titina14 (~150 a 200 pN), y ligeramente menor a las fuerzas que

se necesitan para desplegar secuencialmente, y extraer de la membrana celular, los

dominios estructurales de proteínas integrales de membrana15. De especial interés es el

rango de fuerzas de unión de las interacciones ligando-receptor16, las cuales caen entre

20 y 200 pN. La forma y el estado funcional de las células eucariotas están definidos

por ciclos de mecanosensado, mecanotransducción y mecanorespuesta27. De esta forma

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I. Introducción

9

las células sensan las fuerzas específicas y las convierten en señales bioquímicas28, a la

vez que son extremadamente sensibles a varias características del microentorno,

incluyendo la naturaleza química de las moléculas adhesivas de la superficie29, su

distribución espacial precisa a nivel de micro y nanómetros30, y las propiedades físicas

de la superficie, tales como topografía31, rigidez32, anisotropía33y dimensionalidad34.

Cómo las células detectan las señales externas, las integran y convierten en respuestas

bioquímicas, es un área del conocimiento de intenso estudio. Este proceso llamado

mecanotransducción celular es complejo y cuenta con múltiples participantes donde

se destacan la matriz extracelular (ECM), receptores de adhesión que son proteínas

transmembrana (integrinas), estructuras del citoesqueleto y moléculas de las cascadas de

señalización35. Muchas enfermedades aparentemente no relacionadas como pueden ser

la insuficiencia cardíaca, hipertensión arterial, cáncer, asma, sordera congénita,

disfunción sexual, incontinencia urinaria, tienen en común que su etiología o

presentación clínica resulta de un proceso de mecanotransducción anormal36. Entender

los principios de la mecanotransducción celular es fundamental, no sólo para conocer

mejor cómo funciona una célula, sino también para desarrollar nuevas tecnologías.

A nivel celular, las respuestas biológicas a fuerzas externas se originan en dos

tipos de estructuras especializadas: adhesiones focales (célula-matriz extracelular) y

uniones adherentes (célula-célula)37. Estos sitios de adhesión son complejos de

proteínas dispuestos en ensamblados multi-moleculares que unen la matriz extracelular,

a través de receptores integrales de membrana, a componentes del citoesqueleto. Las

adhesiones focales, también conocidas como contactos focales, son estructuras planas,

alargadas de unos pocos micrones cuadrados que a menudo están localizadas en la

periferia de las células, y que además funcionarían como organelas de señalización en el

proceso de mecanotransducción celular38. A pesar del enorme progreso hecho en la

caracterización a nivel molecular de estas estructuras en los últimos años39, todavía

existen interrogantes sin contestar acerca de su formación y de su dinámica. Los detalles

de cómo se transmiten las fuerzas o cómo son transducidas mecano-químicamente no se

conocen. Cómo las células pueden variar activamente la fuerza de adhesión y cuáles son

los elementos involucrados son preguntas abiertas.

Es importante destacar que, con la excepción de las integrinas, las proteínas de

las adhesiones focales son citoplasmáticas. Por esta razón, los métodos usados para

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I. Introducción

10

medir las propiedades de unión de los receptores integrinas a su ligando (fibronectina)

de la matriz extracelular no pueden emplearse para estudiar interacciones similares entre

las proteínas de adhesiones focales (FA) asociadas al citoesqueleto in situ (actina, FAK,

vinculina, zixina, paxilina, talina, entre otras). Tomando el receptor integrina, que es

una proteína integral de membrana, separamos las interacciones que ocurren en el

dominio extracelular de aquellas que tienen lugar en el dominio intracelular del

receptor. En la Figura I.1 se presentan un esquema del sistema general estudiado,

partiendo de la célula sometida a los estímulos mecánicos presentes en su entorno

natural (Figura I.1 A), las adhesiones focales como la unión de la célula con la matriz

extracelular (unión integrina-fibronectina, Figura I.1 B), y por último indicando la

complejidad de la composición de las FAs a nivel intracelular, que involucra numerosas

proteínas ya sea como componentes de la FA o como parte de la cascada de

señalización activada por fuerza (Figura I.1 C).

Figura I.1 Adhesiones focales. A Las células están expuestas a múltiples tipos de fuerzas, como el flujo

de fluido (shear), las tensiones producidas por la matriz extracelular (ECM) y las fuerzas contráctiles

generadas por el propio citoesqueleto. El esquema muestra una célula unida a la ECM. B Detalle de una

adhesión focal, donde se observa el balance de las fuerzas interna y externa (Fext y Fcell, respectivamente).

Se ven las fibras de actina (rojo), unidas a las FAs (arreglo de varias proteínas) que se unen a la ECM

(azul) a través de las integrinas (marrón). C Detalle de la composición intracelular de las FAs, en las que

se presentan algunas de las alrededor de 160 proteínas que las conforman. Adaptado de 39, 40.

A

B

C

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I. Introducción

11

I.5 Objetivos de este trabajo de Tesis

El objetivo general del proyecto en el que se enmarca este trabajo de Tesis es el

de estudiar la estructura, respuesta mecánica y dinámica de las adhesiones focales en

células vivas. En particular nos interesa el rol del anclaje citoesqueleto-receptores de

adhesión en la formación de las adhesiones focales y la señalización intracelular

inducida por la formación de los complejos adhesivos en respuesta a un estímulo

mecánico.

En este contexto, los objetivos específicos de esta Tesis involucran tres aspectos

generales:

• la medición de fuerzas de interacción en la escala de los pN, aplicada a la

detección y localización de eventos de reconocimiento molecular

• el análisis del estado mecánico de una célula viva, la determinación de las

constantes cinéticas, y la correlación entre concentración y el estado de

agregación de los complejos de adhesión.

• la integración entre un estímulo dado por el reconocimiento molecular y la

respuesta global de la célula.

Cada uno de estos objetivos requirió el desarrollo de técnicas asociadas a

diferentes microscopías avanzadas.

En primer lugar, mediante microscopía de fuerza atómica y espectroscopía de

fuerza avanzadas, se puso a punto la detección y localización de eventos singulares de

reconocimiento molecular (Sección III). Se comenzó con el estudio de un biosensor

amperométrico-enzimático basado en reconocimiento molecular (Capítulo 1), para el

cual se estudió la organización de multicapas proteicas a través del análisis cuantitativo

de imágenes topográficas. Se implementó posteriormente la medición de fuerzas de

interacción moleculares (Capítulo 2), desde la medición de fuerzas de interacción entre

grupos funcionales químicos, pasando por la interacción del sistema modelo biotina-

estreptavidina a nivel de moléculas individuales, hasta la medición de la fuerza de

interacción del complejo adhesivo RGD-integrina en células vivas.

En segundo lugar, se utilizó la microscopía de fluorescencia multidimensional

para analizar el estado mecánico de una célula viva (Sección IV). Se expresaron las

proteínas de las FA en células y se visualizaron los complejos y su respuesta a un

estiramiento controlado (Capítulo 3). Se puso a punto la técnica de recuperación de la

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I. Introducción

12

fluorescencia después del fotoblanqueo (FRAP) para estudiar las constantes cinéticas de

asociación y disociación de estas proteínas a las FAs (Capítulo 4). Se analizó el estado

de agregación de las proteínas de las adhesiones focales en función de su localización en

la célula y en respuesta a un estímulo mecánico macroscópico (Capítulo 5) mediante el

método número y brillo (N&B). Se utilizó también la técnica de transferencia de energía

resonante de Förster (FRET) para analizar la distribución de fuerzas en las FA mediante

un sensor de tensión basado en la proteína adhesiva vinculina (Capítulo 6).

Por último, se implementó la microscopía multi-análisis AFM/Fluorescencia

en células vivas (Sección V, Capítulo 7), logrando la detección de interacciones

ligando-receptor a nivel de moléculas únicas. Mediante esta microscopía fue posible

realizar un estímulo mecánico local y funcional en células vivas y estudiar la respuesta

temporal de las proteínas de las FAs por fluorescencia.

En la Sección VI se resumen las conclusiones y perspectivas del trabajo.

En la Figura I.2 esquematizo los objetivos de la tesis y las microscopías que se

utilizaron para abordarlos.

Figura I.2 Esquema de objetivos y técnicas de este trabajo de Tesis. Perturbando externamente la

célula (AFM) podemos disparar la formación de una adhesión inicial, medir la interacción específica

entre las proteínas de la ECM y los receptores de membrana integrina, y generar el estímulo mecánico

para poder estudiar la respuesta celular. Por otro lado, podemos estudiar las adhesiones focales estables ya

formadas con el sustrato (microscopía de fluorescencia) analizando su composición, su estado mecánico

general y, en particular, la dinámica y el estado de agregación de las proteínas intracelulares. Por último,

combinando ambas técnicas (microscopía AFM/Fluroescencia) podemos analizar los cambios en el

estado mecánico de la célula como respuesta al estímulo aplicado. Adaptado de 41.

Adhesión focal

Adhesión inicial AFM formación

reconocimiento –

interacción

composición

estado mecánico

dinámica

estado de agregación

Fluorescencia

Microscopía Combinada

respuesta

estímulo

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I. Introducción

13

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I. Introducción

14

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II. Fundamentos e

implementación

de las técnicas

experimentales

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II.1

Microscopía de Fuerza Atómica

En este capítulo introduzco la Microscopía de Fuerza Atómica, su principio de

funcionamiento, modos de operación y las bases de la espectroscopía de fuerza. Detallo

cómo se implementó la calibración de los sensores de fuerza para su utilización en la

medición precisa de fuerzas de interacción moleculares. Por último describo las

características particulares de la espectroscopía de fuerza a través de espaciadores

flexibles.

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

19

II.1.1 El Microscopio de Fuerza Atómica

El Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) fue desarrollado en 1986 por Binnig,

Quate y Gerber1 para vencer una limitación importante de su predecesor, el Microscopio

de efecto túnel (STM). Mientras el STM requiere que las muestras sean conductoras, el

AFM abrió las puertas al estudio de muestras no conductoras y en especial de muestras

biológicas. Debido a su capacidad de permitir la observación y manipulación de

biosuperficies en condiciones fisiológicas, el Microscopio de Fuerza Atómica ha

revolucionado la forma de investigar estructuras biológicas a nivel de moléculas

individuales2. Además de proporcionar imágenes tridimensionales con una resolución

sin precedentes y con una preparación de muestras mínima3, la espectroscopía de fuerza

por AFM permite la medición de las fuerzas del orden de los piconewtons asociadas a

moléculas individuales4, proporcionando información fundamental en el entendimiento

de las bases moleculares de fenómenos biológicos y propiedades como el

reconocimiento molecular5, el plegado y desplegado de proteínas6, la mecánica del

ADN7 y la adhesión celular8.

Un microscopio de fuerza atómica, como todos los microscopios de barrido por

sondas, es bastante diferente de los microscopios convencionales ya que no forma una

imagen enfocando la luz o los electrones sobre una superficie, como un microscopio

óptico o un microscopio electrónico. El principio de operación del AFM se basa en

hacer barrer una punta extremadamente filosa sobre (en contacto o a una distancia muy

próxima) la muestra que se quiere estudiar. Las dimensiones usuales de esta punta son

de algunos micrones de alto y menos de 10 nm de diámetro, y su ubicación en el

extremo libre de un fleje o cantilever permite que pueda detectarse la deflexión del

mismo durante el barrido para obtener una imagen de la topografía de la muestra

(Figura II.1 A). El microscopio consta básicamente de tres partes: base, barredor o

escáner y cabeza (Figura II.1 B). El escáner es un piezoeléctrico tubular que permite

mover la muestra colocada sobre él en las tres direcciones. La cabeza posee el sistema

de detección óptico compuesto por un diodo láser (Figura II.1 B 1), un espejo (Figura

II.1 B 4) y un fotodetector (Figura II.1 B 5). Dentro de la cabeza se coloca la pieza que

sirve como soporte para el sensor de fuerza (Figura II.1 B 3). La parte posterior de la

punta es iluminada con el láser y el reflejo del mismo en el detector de cuatro

cuadrantes permite medir la deflexión (vertical o lateral) del extremo libre del

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

20

cantilever. Un lazo de realimentación permite ajustar durante el barrido la distancia

punta-muestra de manera de evitar el riesgo de dañar la punta.

cabeza

escáner

base

A B

cabeza

escáner

base

A B

Figura II.1 Microscopio de Fuerza Atómica. A Imagen del AFM utilizado en este trabajo, en el cual se

distinguen sus partes principales. B Esquema de la cabeza del AFM, donde se aprecian los tornillos

utilizados para la alineación del láser y del detector. Imagen modificada del manual de la empresa

Bruker.

Mediante el barrido de la punta sobre la muestra es posible entonces adquirir una

imagen que representa la topografía de la misma, es decir un mapa de altura (z) en

función de la posición lateral (en las dos direcciones, x e y), que resulta en una imagen

tridimensional. Mientras que la resolución en las direcciones laterales está dada por el

tamaño y la forma de la punta (de radios de curvatura del orden de los nanómetros), la

resolución en z puede ser mucho menor ya que no depende de la punta sino que está

relacionada con la gran sensibilidad de detección del método óptico y limitada

solamente por el ruido en la posición del fleje causado por fluctuaciones térmicas.

Dependiendo de la estabilidad en las condiciones de medición, con el AFM se pueden

ver los átomos de una estructura cristalina9 o por ejemplo obtener imágenes de rutina de

moléculas individuales de ADN (de espesores de alrededor de 2 nm) en ambiente

líquido.

Se han desarrollado distintos modos de operación del AFM relativos a la forma

en la que la punta toma contacto con la muestra y la señal utilizada como lazo de

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

21

realimentación. Existen dos modos básicos para la obtención de imágenes de topografía,

según se mida la deflexión estática o la oscilación dinámica del cantilever:

• Modo Contacto

El modo contacto (del inglés, Contact Mode o CM) del AFM opera barriendo la punta

en las direcciones x e y en contacto permanente con la muestra. Durante la medición el

ciclo de retroalimentación mantiene constante la deflexión (la resta entre los cuadrantes

superior e inferior del detector) del cantilever ajustando la posición vertical de la

muestra con el escáner. El parámetro que regula el valor de la deflexión es el Deflection

Setpoint, que determina el valor de deflexión al que se debe mantener el cantilever. El

aumento de este parámetro hace que, por la ley de Hooke (F = - K.d si consideramos al

cantilever como un fleje elástico de constante K, F la fuerza y d la deflexión), se realice

sobre la muestra una fuerza mayor. La imagen topográfica de la muestra se obtiene

graficando este desplazamiento vertical del escáner para cada punto (x, y). Se generan

también imágenes de la deflexión para cada punto, que no proporcionan información

cuantitativa pero suelen presentar mayor contraste en los bordes que posea la muestra

(se suele denominar también señal error, dado que presenta mayor contraste en los

bordes de las estructuras a medir, en donde el lazo de retroalimentación no llega a

corregir la deflexión constante). El tercer tipo de imágenes que se pueden obtener en

este modo es el de la fricción o deflexión lateral, señal obtenida de la resta entre los

cuadrantes izquierdo y derecho del detector. Esta señal proporciona información relativa

a la interacción entre la punta y la muestra.

Utilizando el modo contacto es posible obtener imágenes con muy alta resolución, éste

es de hecho el modo utilizado para tomar imágenes con resolución atómica. Es también

el modo más rápido. Como desventaja, la punta sensora y la muestra están

constantemente en contacto y ejerciendo fuerza entre sí (en la dirección normal a la

muestra y en el eje del barrido) lo que puede ocasionar daños tanto en la muestra como

en la punta.

• Modo Contacto Intermitente

En el modo de contacto intermitente u oscilante (del inglés, Tapping Mode® o TM) el

sensor de fuerza barre la muestra oscilando a una frecuencia cercana a su frecuencia de

resonancia. Cuando se aproxima o se aleja de la superficie de la muestra, la amplitud de

la oscilación cambia debido a la interacción entre la punta propiamente dicha y el

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

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campo de fuerza de la muestra. En este caso el escáner ajusta la altura z a través del lazo

de realimentación para mantener una amplitud constante, lo que hace que la sonda

permanezca a una distancia fija de la muestra. El parámetro que determina el valor de

amplitud en el que debe mantenerse la oscilación es el Amplitude Setpoint. Cuanto

mayor es este parámetro es mayor la amplitud y por lo tanto mayor la distancia punta-

muestra. Asociadas a este modo se pueden obtener también las señales de la amplitud

o de la fase de la oscilación para cada punto del barrido, generando cada una de ellas

imágenes con diferentes contrastes que suman información al estudio.

El modo intermitente es en general el utilizado para estudiar muestras biológicas, ya que

al no estar en contacto permanente con la muestra se reduce el riesgo de dañarla. Como

desventaja, este modo es menos estable por lo que la resolución alcanzada suele ser

menor.

En la Figura II.2 se esquematizan los dos modos de operación utilizados en esta

Tesis.

A BA B

Figura II.2. Esquema de funcionamiento de los dos modos de operación del AFM. A Modo contacto

y B modo contacto intermitente. Tomados del manual de la empresa Bruker.

En este trabajo se utilizó un AFM de la firma Digital Instruments (Veeco, y

actualmente Bruker, Santa Barbara, EEUU), modelo Multimode (Figura II.1A), con

controlador Nanoscope IIIa, Quadrex y un módulo de acceso a señales (SAM) que

permite monitorear externamente cualquiera de las señales medidas con el microscopio.

Se utilizó un escáner que permite barrer un área de 120 µm x 120 µm, y un movimiento

en el eje vertical de hasta 4 µm.

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

23

Durante la primera etapa de mi tesis doctoral, me familiaricé con el Microscopio

de Fuerza Atómica obteniendo imágenes de muestras diversas, en los diferentes modos

de operación. En la Figura II.3 presento algunas de las imágenes obtenidas.

A B C

D E F

A B C

D E F

Figura II.3 Imágenes AFM. A Grilla de calibración NanoGauge NGR-2 (NanoDevices, Santa Barbara,

EEUU), TM en aire (topografía, escala 0-30 nm). Se superpuso un perfil de la imagen en donde puede

apreciarse la altura y el período de la grilla: 20 nm y 10 µm, respectivamente. B Grilla de calibración

TGT01(NT-MDT, Moscú, Rusia), CM en aire (deflexión, escala 0-5 nm). Permite analizar la forma de la

punta propiamente dicha. C Sustrato AF45 biotinilado (oro "Robax", Berliner Glas KG, Berlín,

Alemania), CM en aire (altura, escala 0-30nm). D Solución de la proteína estreptavidina 20 nM adsorbida

sobre mica, TM en solución de buffer Hepes (altura, escala 0-5 nm) E-F Moléculas de polisacáridos de

Rhizobium wild type adsorbidas sobre mica, TM en aire (topografía, E: escala 0-5 nm, F: escala 0-5 nm,

dilución 1/100). Todas las escalas xy en µm.

La microscopía de fuerza atómica permite obtener imágenes que muestran

detalles topográficos que por microscopía óptica no es posible observar, proporcionando

fácilmente imágenes de moléculas aisladas. Mientras que la resolución en xy es <10 nm

para AFM, la misma es de 300 nm en la microscopía confocal de barrido con láser.

Cuando consideramos el eje z las diferencias son aún más importantes: mientras que en

AFM esta resolución es de 0.1 nm, la microscopía confocal sólo nos permite resolver

800 nm.

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

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La obtención de imágenes de células vivas mediante AFM es, sin embargo, un

gran desafío, ya que las células suelen tener una altura mínima del orden de la decena de

µm y, dependiendo del escáner utilizado, en general el rango de movimiento en el eje

vertical es del mismo orden. Además, la superficie de las células es elástica y sufre la

indentación producida por la fuerza que la punta sensora del AFM le imprime. De

hecho, suele usarse esta microscopía para mapear el módulo de elasticidad de las

células. Sin embargo, en general se obtienen muy buenas imágenes de células fijadas

químicamente. En la Figura II.4 se pueden ver imágenes de células de la línea HeLa

(células de tumor de cuello uterino humano) fijadas con paraformaldehído (PFA). Las

imágenes fueron adquiridas en modo de contacto intermitente, en solución.

Figura II.4 Visualización de células HeLa por AFM. Células HeLa fijadas en 3.7 % PFA visualizadas

por AFM. La visualización se realizó en buffer fosfato salino (PBS) en modo tapping, utilizando un

sensor de fuerza NP Veeco (nitruro de silicio, constante elástica fue k = 0.58 N/m, radio nominal de la

punta de 20 nm).

II.1.2 Sensores de fuerza

El conjunto fleje-punta (del inglés, cantilever-tip) suele denominarse sensor de

fuerza. Existe una gran diversidad de tipos de sensores de fuerza, y dependiendo de la

aplicación se elegirá el sensor más adecuado (Tabla II.1). Alguna de las

consideraciones a tener en cuenta en la elección del sensor son las siguientes:

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

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Modelo RTESP NP/SNL biolevers OTR4-PG

Material

Si

Si4N3

Si4N3

Si4N3

Constante

elástica (N/m)

40

(0.58; 0.12; 0.32; 0.06)

(0.03; 0.006)

(0.08; 0.02)

Frecuencia de

resonancia (kHz) 300 (57; 20; 56; 18) (37; 13) (34; 11)

Radio de

curvatura (nm)

8

20 / 2

30

40

Longitud (µm) 125 (120; 205; 120; 205) (60; 100) (100; 200)

Forma

Rectangular

Triangular

Rectangular

Triangular

Cobertura No tiene Oro reflectivo Oro reflectivo y en la

punta

Oro reflectivo y en la

punta

Modo de

operación TM en aire

CM aire. CM y TM

solución. FS.

Especialmente

diseñados para FS.

CM aire. CM y TM

solución. FS.

Tabla II.1 Características de diferentes tipos de sensores de fuerza utilizados en este trabajo (FS =

espectroscopía de fuerza). Los datos fueron tomados de las especificaciones de los distintos fabricantes.

• Punta propiamente dicha: la característica más importante de la punta es el radio

de curvatura, ya que define la resolución en el eje lateral; puntas más filosas tendrán

mejor resolución lateral. La geometría de la punta también cambia de un sensor a

otro, pudiendo ser piramidal, parabólica, cilíndrica entre otras. También conviene

considerar el ángulo de apertura de la punta.

• Cantilever: la característica más importante del cantilever es su constante elástica

dado que el valor de la misma determina la sensibilidad del sensor de fuerza en

términos de fuerza; constantes más pequeñas resultan en una mayor sensibilidad en

fuerza. La constante elástica está determinada por la geometría del cantilever -que

puede ser rectangular o triangular-, por el material que lo compone -usualmente

silicio o nitruro de silicio-, y las dimensiones. También son importante la frecuencia

de resonancia del cantilever y el amortiguamiento, principalmente cuando se lo utiliza

en el modo de contacto intermitente.

Entonces para la elección del sensor de fuerza adecuado para cada muestra se

debe tener en cuenta las especificaciones referidas al cantilever y a la punta

propiamente dicha. En general, los radios de curvatura son del orden de la decena de nm

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

26

pero existen puntas comerciales de radio de curvatura menor a 2 nm. El cantilever se

selecciona según la aplicación, el modo de operación o la resolución en fuerza que se

desee obtener. Para el modo de contacto intermitente en aire se usan cantilevers de

silicio, rectangulares y de constante elástica del orden de las decenas de N/m. Para

modo contacto, trabajando en aire o en solución, y para el modo de contacto

intermitente en solución se necesitan cantilevers más blandos de manera de evitar el

posible daño de las muestras. Los cantilevers de nitruro de silicio son los más indicados

en este caso ya que presentan constantes elásticas de entre 0.02 y 0.5 N/m, son en

general triangulares y presentan una baja resistencia mecánica a la deflexión vertical y

una alta resistencia a la torsión lateral.

Para la medición de fuerzas se utiliza el modo contacto y, dado que la fuerza está

dada por la deflexión multiplicada por la constante elástica del cantilever (ec. II.1), las

constantes más pequeñas permiten que la deflexión sea detectable para medir fuerzas

del orden de los pN.

En la Figura II.5 se presentan imágenes de microscopía electrónica de barrido

(SEM) de diferentes tipos de sensores de fuerza donde se pueden distinguir claramente

las puntas y los cantilevers.

A B

C D

Figura II.5 Sensores de fuerza. (A-B) Imágenes SEM correspondientes a la punta propiamente dicha

(A) y al cantilever rectangular (B) de silicio modelo RTESP. (C-D) Imágenes correspondientes a la punta

piramidal (C) y un cantilever triangular (D) de nitruro de silicio de sensores OTR4-10. Archivo CMA.

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

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En este trabajo se utilizaron sensores de fuerza de la empresa Bruker, modelo

RTESP para las imágenes tomadas en modo de contacto intermitente y el modelo NP o

SNL para las imágenes en modo contacto. Para las mediciones de fuerzas, se utilizaron

los sensores NP o SNL, y en algunos casos los OTR4-PG o los biolevers, cuya punta

está recubierta por una capa de oro lo que los hace ideales para su funcionalización a

través de moléculas de tioles. En cada experimento de este trabajo de Tesis se detallará

el modelo de sensor utilizado.

II.1.3 Espectroscopía de fuerza

El Microscopio de Fuerza Atómica permite medir con mucha precisión la

deflexión del fleje o cantilever del que pende la punta sensora. Si se considera que el

cantilever cumple la ley de Hook, esa deflexión d puede traducirse, a través de la

constante elástica K del cantilever, en la fuerza de interacción F entre la punta y la

muestra (ec. II.1).

KdF −= II.1

Una de las alternativas que ofrece el AFM es por lo tanto la técnica denominada

Espectroscopía de Fuerza (FS), que aborda el estudio de fuerzas de interacción entre

sistemas moleculares que puedan estar presentes en la punta y/o la muestra del AFM.

Dada la gran sensibilidad con la que puede medirse la deflexión y los rangos de

constantes elásticas de los cantilevers comerciales (0.01-50 N/m), la FS permite medir

fuerzas en un amplio rango que va de los pN a los µN.

Para medir la interacción entre la punta del sensor de fuerza y la superficie de la

muestra se registra lo que se denomina una curva de fuerza, una curva de la fuerza

medida en función de la distancia entre la punta y la muestra. Cuando se adquiere una

curva de fuerza el movimiento lateral (x e y) del escáner se detiene permitiendo

solamente desplazamientos en el eje vertical (z). De esta forma, el sensor de fuerza

realiza un ciclo que comienza con el sensor de fuerza alejado de la muestra, luego se lo

acerca a la muestra hasta producir el contacto y finalmente se lo retira hacia la posición

inicial. En la Figura II.6, se presentan las distintas etapas en la curva de fuerza para el

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

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sistema más simple en el que la punta y la muestra presentan solamente adhesión10. En

A el sensor de fuerza se acerca a la muestra; en B, toma contacto; en C, ejerce presión

sobre la misma, y en D-E, finalmente se aleja. Se mide la interacción entre la punta y la

muestra como la diferencia entre el valor de fuerza antes de tocar la muestra y el valor

en el que se desprende la punta de la muestra en el ciclo de retracción.

Figura II.6. Esquema de una curva de fuerza. Curva fuerza–distancia que describe un ciclo de

aproximación – retracción de la punta del sensor de fuerza a la muestra. La punta se aproxima a la

superficie (A), esta atracción inicial entre la punta y la superficie está dada por fuerzas de tipo van der

Waals que conducen al contacto (B). La punta ejerce presión sobre la superficie y ésto conduce a la

indentación de la muestra y a la deflexión del cantilever (C). Luego, la punta se aleja de la superficie (D-

E). Se mide la adhesión entre la punta y la muestra como la diferencia entre el valor de fuerza antes de

tocar la muestra y el valor en el que se desprende la punta de la muestra (F) en el ciclo de retracción.

Adaptado de la referencia 3.

La gran utilidad de esta técnica es que permite medir directamente la fuerza

entre moléculas que están sobre la punta y sobre la superficie de la muestra. Debido a

que el sensor de fuerzas puede ser muy flexible y la sensibilidad en la medición de la

deflexión mediante instrumentos ópticos es muy alta, estudiar la interacción entre

moléculas individuales es posible. La dificultad para estudiar distintos tipos de

interacciones a nivel molecular radica en la química que se debe hacer para lograr que

en el ápice de la punta “cuelguen” moléculas individuales para interactuar con la

muestra. En el caso del estudio de fuerzas de desplegado de proteínas es relativamente

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

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sencillo dado que las moléculas se adsorben al material de la punta con una fuerza de

interacción mayor a la necesaria para desenrollar los dominios. La posibilidad de tener

en la punta una única moléculas dependerá entonces del radio de curvatura de la punta y

la concentración de la muestra. No es el caso de la medición de interacciones ligando-

receptor individuales, para la que la modificación química de las puntas que resulta en

moléculas únicas es un área de investigación en constante evolución11.

El AFM se utiliza además en la modalidad de diversas espectroscopías de fuerza

(Figura II.7): espectroscopía de fuerza de moléculas individuales (SMFS, por sus siglas

en inglés, single molecule force spectroscopy), microscopía de fuerzas químicas (CFM,

por sus siglas en inglés, chemical force microscopy), mapeo de reconocimiento

molecular (MRM, por sus siglas en inglés, molecular recognition mapping) y

espectroscopía de fuerza de células individuales (SCFS, por sus siglas en inglés, single

cell force spectroscopy).

Figura II.7 El AFM utilizado en la modalidad de espectroscopía de fuerza. A. La punta del sensor de

fuerza se utiliza para detectar interacciones en la superficie celular con resolución de moléculas

individuales. Ejemplos que muestran: la punta sensora funcionalizada con un ligando para detectar la

interacción con su receptor (izquierda), una punta con una proteína de adhesión celular para medir

interacciones con otras moléculas de adhesión (centro), y una punta recubierta con grupos químicos para

detectar las interacciones de interés (derecha). B. Funcionalización de las puntas del AFM o del cantilever

para detectar interacciones biológicas, celulares, virales o químicas específicas. Modificado de

referencia12.

La fuerza de adhesión o despegado característica observada durante el

despegado de la punta del AFM es el parámetro clave que brinda información sobre la

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

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interacción ligando-receptor (en SMFS), sobre la distribución espacial de la interacción

química (en CFM), sobre la distribución espacial de receptores individuales (MRM) y

sobre las fuerzas que gobiernan las interacciones célula-célula y célula-sustrato (en

SCFS).

II.1.4 Calibración de la constante elástica de los sensores de fuerza. Desarrollo de

herramientas para su implementación en el Centro de Microscopías Avanzadas

(CMA)

El AFM permite entonces medir la deflexión del cantilever con mucha

precisión, y esta deflexión puede traducirse en un valor de fuerza igual al valor de

deflexión multiplicado por la constante elástica del fleje. Debido a que en el proceso de

fabricación es difícil controlar el espesor de cada cantilever, el valor nominal de la

constante elástica de los cantilevers informado por los fabricantes tiene una incerteza

del 50%. Esta gran incerteza se traduce en la imposibilidad de medir fuerzas con la

precisión pretendida en experimentos de fuerzas a nivel molecular. Por esta razón es

necesario calibrar los sensores de fuerza individualmente, determinando su constante

elástica con una incerteza que se independice de la variabilidad introducida por su

fabricación.

La técnica más utilizada para determinar experimentalmente la constante elástica

de los sensores de fuerza es la conocida como método térmico (thermal tune method) 13.

Este método consiste en considerar al cantilever como un oscilador armónico y

relacionar, a través del Teorema de Equipartición, la energía del oscilador con la energía

térmica, pudiendo calcularse la constante elástica k a partir de la temperatura (T), la

constante de Boltzmann (kB) y el valor medio del cuadrado de la deflexión 2x (ec.

II.2):

2x

Tkk B= II.2

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

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2x resulta igual al área debajo de la Densidad de Potencia Espectral (PSD)

correspondiente a la serie temporal de la señal de deflexión de la oscilación libre del

cantilever (a partir de la igualdad de Parseval). Puede medirse registrando la señal de

deflexión en función del tiempo para un sensor que oscila libremente debido a la energía

térmica (sin estar en contacto con la muestra). La PSD presenta una forma Lorenziana.

Como parte de este trabajo de Tesis, se implementó el método de calibración por

ruido térmico en el Centro de Microscopías Avanzadas. El proceso para la calibración

involucra la medición de la señal de deflexión por ruido térmico y su análisis espectral a

través de la PSD. Dado que la frecuencia de muestreo del controlador Nanoscope IIIa

del AFM utilizado es de un máximo de 60 kHz y las frecuencias de resonancia de los

sensores llegan a los 300 kHz, la señal de deflexión se debe registrar de forma externa.

Esto se realizó a través de un módulo de acceso a señales (Signal Access Module de

Bruker) que permite tomar la señal de deflexión cruda y registrarla en un osciloscopio

digital (Tektronix TDS840). Las series temporales de deflexión se adquirieron mediante

una interfase en Labview. Para facilitar la medición se toma también con el osciloscopio

y a través de la misma interfase curva de fuerza que determina la calibración de la

sensibilidad para traducir el voltaje medido en valores de deflexión del cantilever (en

nm).

Se desarrolló además una interfase en Matlab para obtener la constante elástica

de cada sensor a partir del análisis de los datos adquiridos, de manera que la calibración

de los sensores de fuerza está disponible para cualquier usuario del laboratorio. En la

Figura II.8 se presenta la pantalla de la interfase, denominada calibración_GUI,

mediante la que se calibran las constantes elásticas de los cantilevers a partir de los

datos de curvas de fuerza y ruido térmico adquiridos con el osciloscopio. En primer

lugar se obtiene la sensibilidad en nm/V mediante el ajuste de una curva de fuerza

realizada sobre una superficie rígida (típicamente sobre mica). De los datos de ruido

térmico se calcula la PSD y se ajusta con una función Lorenziana de manera de calcular

2x como el área debajo de la curva ajustada para minimizar el error. El valor de la

constante de fuerza se calcula entonces a partir de estos datos y el valor de temperatura

ambiente, según una ecuación análoga a II.2 con un factor de corrección según L´evy y

Maaloum14, que considera entre otras cosas que el cantilever no es un oscilador ideal y

que el análisis tiene en cuenta sólo el primer modo de oscilación.

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

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Figura II.8 Interfase para la calibración de sensores de fuerza. Panel Sensibilidad: permite leer los

datos de una curva de fuerza y calibrar la sensibilidad del detector, i.e. traducir voltaje de la señal a nm de

deflexión del cantilever. Panel PSD: a partir de los datos de ruido térmico calcula la PSD y la ajusta por

una Lorenziana. Mediante la temperatura y el valor medio del cuadrado de la deflexión (área debajo de la

Lorenziana) calcula el valor de la constante elástica del sensor de fuerza.

La calibración de los sensores de fuerza fue entonces implementada con éxito en

el Centro de Microscopías Avanzadas y puede realizarse para cualquier tipo de

cantilever. La incerteza en las constantes elásticas obtenidas por este método de

calibración es típicamente del 10 %.

II.1.5 Funcionalización de los sensores de fuerza y espectroscopía de fuerza a

través de espaciadores flexibles.

Medir interacciones moleculares con el AFM requiere la funcionalización de las

puntas con las moléculas o grupos químicos específicos. La funcionalización de las

puntas para la MRM es un área que continúa en desarrollo, pero típicamente hay dos

estrategias de modificación que son las más establecidas. La primera consiste en

modificar puntas con un recubrimiento de oro uniéndoles covalentemente una

monocapa autoensamblada (SAM) de tioles (moléculas con el grupo terminal SH,

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

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Figura II.9 A). Esta estrategia ha sido la más utilizada en los comienzos de la técnica y

es todavía vigente dada su simplicidad.

La estrategia más utilizada en la actualidad fue desarrollada por el grupo del Dr.

Hinterdorfer, uno de los pioneros en la técnica, y consiste en modificar las puntas de

nitruro de silicio con grupos amino por silanización, y utilizar para unir el ligando o la

molécula de interés una molécula que funciona como espaciador flexible (Figura II.9

B). Las superficies amino-modificadas reaccionan con un espaciador o crosslinker que

le da a la biomolécula de interés más libertad de movimiento para interactuar con su

receptor y previene su desnaturalización. Típicamente, se utilizan como espaciadores

moléculas de polietilenglicol (PEG), que tienen dos terminales funcionales diferentes:

uno que se une al grupo NHS de la punta amino-funcionalizada y el otro que depende de

cómo vaya a unirse al ligando de interés.

Figura II.9. Funcionalización de sensores de fuerza. A Esquema de funcionalización de sensores de

fuerza recubiertos de oro a través de tioles. B Esquema de funcionalización de sensores de fuerza por

silanización y a través de espaciadores flexibles.

En el caso particular en que la funcionalización de las puntas se realiza a través

de una molécula espaciadora como el PEG, es importante tener en cuenta que, en las

curvas de fuerza, durante la retracción de la punta, y antes de que se produzca la ruptura

del complejo, se producirá un estiramiento de la molécula espaciadora. En la Figura

II.10 se muestra una curva de fuerza típica de este tipo para un sistema antígeno-

anticuerpo, en la que se observa que durante la mayoría del tiempo de acercamiento

(puntos 1 al 5) la deflexión del cantilever es nula dado que las moléculas no interactúan.

Una vez en contacto (4) el cantilever se deflecta hacia arriba (4 a 5) debido a una fuerza

A B

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

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repulsiva que aumenta linealmente a medida que la punta es empujada por la superficie.

Si en el ciclo no se produce la interacción del ligando con el receptor, la retracción de la

punta desde la superficie da lugar a una relajación gradual del cantilever a su posición

de equilibrio (1) generando una curva de retracción muy similar a la de acercamiento.

Por otra parte, si se produce la interacción, el cantilever se deflectará hacia abajo a

medida que se separa de la superficie (4 a 7). Dado que el estiramiento se produce a

través de la molécula espaciadora, la forma de la curva fuerza-distancia es no lineal, y

corresponde al estiramiento de la molécula precedente a la ruptura del complejo

ligando-receptor que se evidencia por un salto pronunciado (7).

Figura II.10. Curva de reconocimiento a través de un espaciador flexible. Un ciclo de acercamiento y

retracción para un par antígeno-anticuerpo en PBS (tomado de 15 ). La unión del anticuerpo inmovilizado

en la punta al antígeno en la superficie se da durante el acercamiento (puntos 1 al 5) resulta en una curva

de retracción no lineal (puntos 6 al 7) que refleja el estiramiento del crosslinker. La fuerza aumenta hasta

que se produce la ruptura a una fuerza de 268 pN (puntos 7 al 2).

La forma exacta de la curva de retracción antes de la ruptura depende de las

propiedades elásticas del espaciador usado para la funcionalización, pero refleja un

aumento de la constante elástica del crosslinker durante su extensión.

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II.1 Microscopía de Fuerza Atómica

35

II.1.6 Referencias 1 Binnig G., Quate C. F., Gerber C., Phys Rev Lett 56: 930 (1986). 2 Jena P. B. and Hörber J. K., Atomic Force Microscopy in Cell Biology, Methods in Cell

Biology Vol. 68 , Academic Press, San Diego (2002). 3 Engel A. and Müller D. J., Nat. Struct. Biol. 7: 715 (2000). 4 Clausen-Schaumann H., Seitz M., Krautbauer R. and Gaub H.E., Curr. Opin. Chem. Biol. 4:

524 (2000). Fisher T.E., Marzalek P. E. and Fernandez J. M., Nat. Struct. Biol. 7: 719 (2000). 5 Hinterdorfer P. and Dufrêne Y. F., Nat. Meth. 3: 347 (2006). 6 Rief M., Gautel M., Oesterhelt F., Fernandez J. M. and Gaub H. E., Science 276: 1109 (1997). 7 Rivetti C., Walker C. and Bustamante C., J. Mol. Biol. 280: 41 (1998). 8 Helenius J., Heisenberg C. P., Gaub H. E. and Muller D. J., J Cell Sci 121:1785 (2008). 9 www.bruker-axs.com/atomicforcemicroscopy.html

10 Shahin V., Ludwig Y., Schafer C., Nikova D., and Oberleithner H., J Cell Sci 118: 2881

(2005). 11 Ebner A., Wildling L., Zhu R., Rankl C., Haselgrübler T., Hinterdorfer P. and Gruber H. J.,

Top Curr Chem 285: 29 (2008). 12 Müller D. J, Krieg M., Alsteens D., Dufrêne Y. F., Curr Op in Biotechnol 20: 4 (2009). 13 Hutter J. L. and Bechhoefer J., Rev. Sci. Instrum. 64:1868 (1993). 14 L´evy R. and Maaloum M., Nanotechnology 13: 33 (2002). 15 Hinterdorfer P. en Springer Handbook of Nanotechnology, Springer, p. 476 (2010).

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II.2

Microscopía de Fluorescencia

En este capítulo introduzco la Microscopía de Fluorescencia, en particular el principio

de operación del Microscopio Confocal de Fluorescencia utilizado en este trabajo de

Tesis. Discutiré los controles a realizar en los experimentos y sentaré las bases teóricas

y la puesta a punto de las técnicas asociadas a esta microscopía que se utilizaron en esta

Tesis: FRET (Transferencia de energía de resonancia de Förster), FRAP (Recuperación

de la fluorescencia después del fotoblanqueo), y N&B (Número y Brillo).

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

39

II.2.1 El Microscopio de fluorescencia

La fluorescencia refiere al proceso mediante el cual un espécimen absorbe y

subsecuentemente emite luz, en un intervalo de tiempo, entre la absorción de la luz de

excitación y la emisión de la luz fluorescente, que es usualmente de pocos

nanosegundos. La Microscopía de Fluorescencia es la herramienta que permite estudiar

materiales fluorescentes, ya sea de manera natural (materiales autofluorescentes) o

tratados con sondas fluorescentes.

El Microscopio de Fluorescencia fue desarrollado a principios del siglo veinte

por August Köhler, Carl Reichert, y Heinrich Lehmann, entre otros. Sin embargo no fue

sino hasta décadas después que se descubrió su potencial, siendo hoy una técnica

indispensable en biología celular. La principal diferencia del Microscopio de

Fluorescencia con un microscopio óptico convencional es que permite irradiar al

espécimen con la luz de excitación y separar la luz fluorescente emitida, que es mucho

más débil, de la luz de excitación. Así, sólo la luz emitida por el espécimen es detectada

por el ojo o el detector (usualmente una cámara digital). Como resultado, las partes

fluorescentes de la muestra brillan contra un fondo (background) oscuro con suficiente

contraste como para permitir la detección. La Figura II.11 presenta un esquema de lo

que ocurre cuando un espécimen fluorescente es observado a través de un Microscopio

de Fluorescencia.

Luz proveniente de la fuente

Filtro de excitación

Luz de excitación

Muestra fluorescente

Filtro de emisión

Luz proveniente de la fuente

Filtro de excitación

Luz de excitación

Muestra fluorescente

Filtro de emisión

Figura II.11 Representación de una muestra en el Microscopio de Fluorescencia. Por medio de un

filtro de excitación se seleccionan las longitudes de onda específicas de la luz de una fuente UV-visible.

Un filtro de emisión permite el paso de la luz fluorescente emitida bloqueando la luz UV reflejada. La

fluorescencia se irradia en todas las direcciones independientemente de la dirección de la luz de

excitación. Tomado de1 .

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

40

La microscopía de fluorescencia es una herramienta de inestimable valor ya que

permite alcanzar altos niveles de sensibilidad y resolución, permitiendo una apreciación

diferente de la información que se puede obtener de los especímenes y que

generalmente pasa desapercibida2. El uso de fluoróforos ha permitido identificar células,

componentes celulares sub-micrométricos y otras entidades con un alto grado de

especificidad. Más aún, esta microscopía permite la detección del material fluorescente

con una altísima sensibilidad: puede ser detectada una cantidad muy pequeña de

moléculas fluorescentes (unas 50 moléculas por µm3). En una misma muestra,

diferentes sondas fluorescentes permiten apreciar distintos tipos de moléculas gracias a

las técnicas de marcado específico.

II.2.2 Microscopía confocal de barrido láser

La microscopía confocal de barrido láser, es una técnica de observación basada

en fluorescencia que presenta numerosas ventajas respecto de la microscopía de

fluorescencia convencional o “widefield”. Entre ellas, la habilidad de controlar la

profundidad de campo, la eliminación o reducción de la luz proveniente de regiones

fuera del plano focal (que en general da lugar a la degradación de las imágenes) lo que

proporciona imágenes de mayor nitidez y contraste y por sobre todo la posibilidad de

adquirir “secciones ópticas” de la muestra permitiendo su estudio tridimensional.

Aunque el principio de la microscopía confocal fue concebido y patentado hace

varios años (Minsk, 1957) y los primeros microscopios basados en esta técnica fueron

descritos por Petran et al. en 1968, su gran aceptación y desarrollo no ha tenido lugar

hasta hace unos años con el desarrollo del láser3. Esta microscopía ha logrado una gran

popularidad en el presente gracias a la facilidad con la que pueden obtenerse con ella

imágenes de una muy alta calidad de especímenes preparados para microscopía de

fluorescencia convencional, y al creciente número de aplicaciones en biología celular

que se basan en el estudio de células y tejidos tanto fijados como in vivo.

La microscopía confocal emplea un láser enfocado que ilumina un punto o

región de la muestra a la vez. La señal emitida por la región iluminada vuelve por el

mismo camino óptico, pasa a través de un espejo dicroico y es enfocada en un detector

(en general un fotomultiplicador –PMT- o fotodiodo de avalancha). Un pequeño

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

41

diafragma o “pinhole” es colocado delante del detector para eliminar las señales

procedentes de la zona fuera de foco. La luz recolectada de la muestra, que proviene del

plano focal del objetivo, es reenfocada y transmitida por el pinhole sin ninguna pérdida.

En cambio, la luz dispersada o emitida por los puntos que se encuentran fuera del plano

de la imagen es atenuada o bloqueada completamente, como se muestra en la Figura

II.12. De esta manera, se obtiene una imagen de alto contraste y definición de un punto

en el plano focal, sin que haya una contribución significativa de las regiones que se

encuentran fuera de foco.

Muestra fluorescente

Planos focales

Láser de excitación

Pinhole de iluminación

Luz de excitación

Filtro de excitación

Objetivo

Filtro dicroico

Filtro de emisión

Pinhole de detección

Detector (PMT)

Luz fuera de foco

Luz proveniente del foco

Figura II.12 Principio de microscopía confocal. La luz procedente de los puntos fuera del plano focal

es eliminada por el diafragma o pinhole. Tomado de 2.

Para poder generar una imagen completa del plano, el microscopio realiza un

barrido o escaneo punto a punto en el plano X-Y moviendo la dirección del láser a los

distintos puntos de la muestra. En cada uno de esos puntos el PMT detecta la

fluorescencia emitida (filtrada por el pinhole) y le asigna una intensidad de píxel

(generalmente de 8 bits = valores de 0 a 255). Utilizando la intensidad de cada píxel se

reconstruye una imagen digital.

El microscopio confocal Olympus FV1000 espectral

En este trabajo de Tesis se utilizó un microscopio confocal espectral de la firma

Olympus, modelo FluoView 1000 (FV1000), el cual se encuentra instalado en el

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

42

laboratorio de Microscopías y Microespectroscopías (LMM) del departamento de Física

y forma parte de un consorcio del que el Centro de Microscopías Avanzadas es

integrante. El microscopio está compuesto por un módulo confocal espectral, unido a un

microscopio invertido IX81. Tiene tres láseres que proveen en total cinco longitudes de

onda de excitación: láser multilínea de Argón (457 nm, 488 nm, 515 nm), láser de

Helio-Neón (543 nm) y un láser diodo de estado sólido (635 nm). Una unidad

combinadora de láseres permite iluminar a la muestra simultáneamente con tres

longitudes de onda. Consta de tres canales de detección, dos de ellos espectrales. Los

detectores son fotomultiplicadores de alta sensibilidad con eficiencia cuántica ~100%

para 500 nm (Hamamatsu).

Figura II.13 Unidad confocal espectral del microscopio FV1000. En el esquema se aprecian los tres

canales de detección, dos de ellos espectrales.

El sistema de detección (Figura II.13), que se encuentra dentro de la unidad

confocal, tiene dos sistemas de red de difracción (para los dos primeros canales) con

una resolución de 2 nm que trabajan en todo el espectro visible 400 nm a 700 nm. El

tercer canal posee filtros de barrera. Un par de espejos galvanómetros permiten generar

imágenes por barrido, con una velocidad máxima de 16 cuadros por segundo, para una

imagen de 256 x 256 píxeles. La máxima resolución es de 4096 x 4096 píxeles y el

mínimo intervalo de detección es de 2 µs.

El microscopio cuenta con diversas lentes objetivos, además de una platina

motorizada en X-Y (Scientific Roper) y una cámara ambiental (Solent Scientific) para

mantener la temperatura constante que permite trabajar con células vivas. En la Figura

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

43

II.14 se presentan dos fotografías donde se pueden observar los diferentes componentes

del sistema.

Figura II.14 Microscopio confocal espectral Olympus FV1000. A Vista lateral, en la que se muestran

el módulo confocal espectral y la base del microscopio IX81. B Se señalan la cámara ambiental y la

platina motorizada, con su palanca de mando. Gentileza L. Sigaut.

Además de funcionar como microscopio confocal, utilizando láseres como

fuente de iluminación y permitiendo imágenes con alta resolución axial, el FV1000

funciona también como microscopio de fluorescencia convencional mediante una

lámpara de mercurio como fuente de iluminación. Esto permite visualizar las muestras

mediante un ocular, lo que hace mucho más fácil ubicar las células de interés en

preparados realizados por transfecciones transientes como la gran mayoría de los

estudiados en este trabajo de Tesis.

Cámara ambiental

Platina motorizada

A

B

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

44

II.2.3 Proteínas fluorescentes en el visible (VFPs)

El descubrimiento y desarrollo de proteínas naturalmente fluorescentes y sus

mutantes derivadas ha posibilitado en el último tiempo avanzar rápidamente en la

investigación de un gran número de procesos intracelulares en organismos vivos. Estas

sondas fluorescentes biológicas han permitido visualizar, localizar y seguir moléculas

individuales con una alta resolución espacial y temporal, en experimentos tanto en

equilibrio como dinámicos. Una variedad de organismos marinos han sido la fuente de

las más de 25 proteínas fluorescentes, que proveen una amplia paleta de sondas no

invasivas para el análisis de fluorescencia multiespectral. Entre las ventajas de las

proteínas fluorescentes por sobre las sondas orgánicas tradicionales o las nanopartículas

semiconductoras la más importante es que pueden ser expresadas por las células

utilizando vectores de expresión, lo que sumado a su baja o nula toxicidad

fotodinámica, y su compatibilidad con tejidos y organismos intactos las convierten en

las sondas más utilizadas para la visualización de células vivas.

- Proteína verde fluorescente (GFP)

El primer miembro de esta familia de proteínas fluorescentes descubierto fue la

proteína verde fluorescente (GFP), aislada de la medusa Aequorea victoria. Existen

diferentes tipos de GFPs en varios celenterados, como Aequorea, Obelia, Phialidium, y

Renilla4. Posteriormente a su descubrimiento y clonado, se demostró que la sola

expresión de GFP es suficiente para producir fluorescencia en distintos organismos5.

El cromóforo de GFP salvaje consiste en el tripéptido serina, tirosina y glicina

(Ser/Thr65-Tyr66-Gly67) y está protegido por una capa compuesta por once láminas β

(que forman un barril β) y una hélice α (Figura II.15 A). La maduración del cromóforo

requiere varios pasos autocatalíticos que involucran cambios conformacionales en la

secuencia, el ciclado y la deshidratación entre la serina y la glicina, y la oxidación de

tirosina4. El proceso de oxidación puede producir una molécula de peróxido de

hidrógeno, lo que explica por qué la sobre-expresión de GFP puede resultar dañina para

la célula6. Los extremos N y C terminales son flexibles7, mientras que el barril β es

rígido, protegiendo de esta manera el cromóforo de GFP4.

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

45

La fusión de la secuencia de GFP u otras VFPs a genes que codifican una

proteína de interés da lugar a proteínas quimera, análogas funcionales de las proteínas

de interés que no presentan efectos biológicos adversos. De hecho, las proteínas

fluorescentes pueden fusionarse a prácticamente cualquier proteína en células vivas

usando la tecnología de clonado por ADN recombinante, y la subsecuente construcción

de ADN para la proteína de fusión puede ser expresada en líneas celulares con

metodologías de cultivo tradicionales (Figura II.15B).

Figura II.15 Principio de la marcación con GFP. A Estructura de la proteína GFP. B Representación

esquemática de un gen recombinante conteniendo el ADN de una molécula de interés fusionado al gen

que codifica GFP. La expresión del gen recombinante en la célula permite observar la proteína

recombinante por fluorescencia, con longitudes de excitación y emisión propias de GFP (488 y 510 nm

respectivamente). Esquema tomado de 8.

- Proteínas fluorescentes derivadas de GFP

Los experimentos de mutagénesis con GFP han producido un gran número de

variantes de características de plegado y expresión mejoradas, eliminando además la

dimerización de la proteína salvaje y optimizando sus propiedades espectrales. Una de

las primeras fue la proteína verde fluorescente intensificada (EGFP), de menor

sensibilidad a la temperatura y mayor eficiencia de expresión. Estudios de mutación

adicionales han logrado obtener variantes de la GFP que exhiben una variedad de

características de emisión y absorción cubriendo prácticamente la totalidad del espectro

de luz visible4. Esto ha permitido utilizar este tipo de sondas para la observación

simultánea de dos o más proteínas fluorescentes en el mismo organismo.

Gen recombinante

Proteína de interés

transcripción traducción

Proteína recombinante

Proteína de interés

Gen recombinante

Proteína de interés

transcripción traducción

Proteína recombinante

Proteína de interés

A B

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

46

3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 00 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

Inte

nsid

ad n

orm

aliz

ada

λ (n m )

m T F P E G F P V e n u s m C h e rry

Figura II.16 Espectros de las proteínas fluorescentes utilizadas. Espectros de absorción (líneas

punteadas) y emisión (líneas llenas) de las proteínas fluorescentes utilizadas en este trabajo de Tesis:

mTFP (en cian), EGFP (en verde), Venus (en amarillo) y mCherry (en rojo). Datos tomados de

www.tsienlab.ucsd.edu.

En este trabajo de Tesis utilizamos vectores de fusión para las proteínas de las

adhesiones focales unidas a las VFPs: EGFP, mCherry, Venus (variante mejorada de la

proteína amarilla YFP) y Turquesa (mTFP). En la Figura II.16 se muestran los

espectros de absorción y emisión de las mismas.

II.2.4 Fotoblanqueo

El fotoblanqueo (en inglés photobleaching) ocurre cuando un fluoróforo pierde

de manera permanente su capacidad de emitir fluorescencia debido a un daño químico y

modificación covalente fotoinducidos. Estas modificaciones covalentes irreversibles

pueden producirse por la interacción con otra molécula a partir de la transición desde un

estado excitado de tipo singlete al estado excitado triplete. El número promedio de

ciclos de excitación y emisión de un fluoróforo particular antes de que se produzca su

fotoblanqueo depende de la estructura molecular y del ambiente local en el que se

encuentra el fluoróforo. Algunos fluoróforos se fotoblanquean rápidamente después de

emitir sólo algunos fotones, mientras que otros más robustos pueden realizar miles y

hasta millones de ciclos antes de fotoblanquearse.

Las consecuencias del fotoblanqueo se presentan en todos los tipos de

microscopías de fluorescencia, y resultan en una pérdida efectiva de los niveles de

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

47

emisión. Es muy importante tener en cuenta este fenómeno a la hora de diseñar los

experimentos y sobre todo ante la necesidad de cuantificar la intensidad para obtener

información biológica relevante. Suele denominarse fotoblanqueo por adquisición al

fotoblanqueo producido por el sólo hecho de tomar imágenes sucesivas en el tiempo.

El fenómeno del fotoblanqueo puede describirse mediante la expresión cinética

de la ecuación II.3:

Cdt

dCλ−= II.3

donde C es la concentración de moléculas fluorescentes y � la tasa de fotoblanqueo. El

valor preciso de � depende de las condiciones en las que se toman las imágenes, como la

potencia de láser, tiempo de exposición por píxel, magnificación, etc. Cuanto más se

ilumina la muestra más se fotoblanqueará, siendo la tasa de fotoblanqueo proporcional a

la intensidad de iluminación9.

En términos de la intensidad de fluorescencia I (proporcional a la concentración

de moléculas fluorescentes) en función del tiempo, esta ecuación nos da una evolución

temporal como la de la ecuación II.4:

)exp()exp()( 00τ

λt

ItItI−

=−= II.4

donde I0 es el valor de intensidad inicial y � el tiempo característico del proceso (� =

1/�). Es importante aclarar que la intensidad en términos de la concentración de

moléculas fluorescentes tiene en cuenta que a las señales se les restó la señal de fondo o

background.

Bajo ciertas circunstancias, el efecto del fotoblanqueo puede ser utilizado para

obtener información específica que no sería accesible de otra manera, como resulta en el

caso de la técnica de recuperación de la fluorescencia después del fotoblanqueo

(FRAP), descripta en la siguiente sección.

II.2.5 Técnicas asociadas a la Microscopía de Fluorescencia

En esta sección se describen brevemente las tres técnicas asociadas a la

microscopía de fluorescencia utilizadas en este trabajo de Tesis. Ellas son: transferencia

de energía por resonancia de Förster (FRET), recuperación de la fluorescencia después

del fotoblanqueo (FRAP) y número y brillo (N&B). Se mencionan los controles

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

48

realizados en cada una de las técnicas, así como los detalles de la puesta a punto de las

mismas para su utilización en este trabajo de Tesis.

II.2.5.a Transferencia de energía por resonancia de Förster - FRET

La transferencia de energía por resonancia de Förster es un proceso no radiativo

en el que la energía de un fluoróforo dador es transferida a un fluoróforo aceptor que se

encuentra a una distancia de rango nanométrico. FRET es un fenómeno fotofísico muy

útil para sensar interacciones entre proteínas, dado que la eficiencia E a la que se

produce la transferencia de energía depende fuertemente de la distancia r entre los dos

fluoróforos y está dada por (ec. II.5):

( )60/1

1

RrE

+= II.5

donde R0 es la distancia a la que se transfiere el 50% de la energía (Figura II.17 A),

suele ser del orden de unos nm. El proceso de transferencia de energía involucra el

acoplamiento resonante de los dipolos de emisión y absorción de ambas moléculas10, y

requiere que el espectro de emisión del dador se solape con el espectro de excitación del

aceptor (Figura II.17 B).

Figura II.17. Bases de FRET. A Eficiencia de FRET en función de la distancia entre fluoróforos

(normalizada al radio de Förster R0): cuando el dador y el aceptor están a una distancia corta comparada

con R0, la energía se transfiere eficientemente dando como resultado una emisión menor del dador y una

emisión sensibilizada del aceptor (esquema tomado de11). B Solapamiento espectral (en gris) entre los

espectros normalizados de emisión del dador (en este caso GFP, línea sólida verde) y excitación del

aceptor (en este caso mCherry, línea de puntos roja).

Efi

cien

cia

de

FR

ET

> FRET

< FRET

Efi

cien

cia

de

FR

ET

> FRET

< FRET

300 400 500 600 700 800

I (u

.a.)

λλλλ (nm )

G FP m C h erry J( λλλλ )

A B

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

49

FRET requiere por otra parte que el par de moléculas utilizadas como dador y

aceptor presenten espectros de emisión y excitación separados entre sí, de manera que

no se produzca “entrecruzamiento” o solapamiento al excitar con una misma longitud de

onda a ambos fluoróforos. La transferencia depende también de que los fluoróforos

presenten un alto coeficiente de absorción, rendimiento cuántico elevado y

fotoestabilidad. El radio de Förster (R0) está dado por la ecuación II.6:

( ) 2420 107.9)( 6

1

×××××= −QnJR λκ II.6

en la que κ2 describe la orientación relativa en el espacio de los dipolos de transición

entre dador y aceptor, J(λ) es la integral de la región de superposición entre los

espectros de emisión del dador y de absorción del aceptor, n representa el índice de

refracción del medio, y Q es el rendimiento cuántico del dador. Este valor dependerá

entonces de las propiedades fotofísicas del par de fluoróforos elegidos para FRET. Para

la mayoría de los pares de fluoróforos utilizados para FRET biológicamente relevantes,

el valor de R0 está en el orden de los 5 nm, por lo que el hecho de que se produzca la

transferencia se considera indicativo de la interacción entre las proteínas marcadas.

FRET puede detectarse experimentalmente mediante una amplia variedad de

técnicas (una buena revisión de las mismas puede encontrarse en12). Tradicionalmente

se mide la emisión sensibilizada del aceptor al iluminar en la longitud de onda de

excitación del dador13. Sin embargo, este tipo de mediciones requiere la corrección

cuidadosa de la fluorescencia del aceptor (en ausencia de dador) al iluminar en la

longitud de onda de excitación del dador y de la emisión del dador (en ausencia del

aceptor) en el canal del aceptor (lo que se denomina sangrado espectral). Otra manera

común de medir FRET es mediante el fotoblanqueo del aceptor, dado que en presencia

del mismo una fracción de la energía de excitación del dador no se emite como

consecuencia de la transferencia. Así, se obtiene una medida de FRET cuantificando la

fluorescencia del dador antes y después de fotoblanquear completamente el aceptor14.

En este trabajo de Tesis utilizamos el método de FRET por Ratio-imaging, que

se basa simplemente en iluminar al dador, registrar los canales dador y aceptor, y tomar

el cociente entre ambos. Este método es el más utilizado cuando se emplean sensores

basados en FRET, como el sensor de tensión de vinculina utilizado en este trabajo.

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

50

Tanto la descripción del sensor como la aplicación del FRET por Ratio-imaging a

nuestros experimentos serán tratadas en detalle en el Capítulo 5.

En cada una de las técnicas para FRET se define alguna cantidad, dependiendo

de las imágenes adquiridas, que resulta proporcional a la eficiencia de FRET (eficiencia

aparente). Si bien no es generalmente cuantificable a partir de estas mediciones la

distancia a la que se encuentran las proteínas estudiadas, la eficiencia aparente de FRET

(calculada píxel a píxel a partir de las imágenes registradas) nos proporciona un mapa

de la interacción entre las proteínas. Es decir que, por ejemplo dentro de una célula,

podemos cuantificar la interacción relativa de las proteínas con la resolución espacial

del microscopio. La técnica de FRET resulta entonces una herramienta muy poderosa

para el estudio y localización de interacciones moleculares directas. En este sentido, ha

permitido monitorear cambios de actividad de enzimas, interacciones proteína-proteína,

y la activación de moléculas de señalización mediante la utilización de biosensores

basados en FRET.

II.2.5.b Recuperación de la fluorescencia después del fotoblanqueo (FRAP)

La recuperación de la fluorescencia luego del fotoblanqueo (FRAP), es una

técnica que utiliza el fotoblanqueo de la fluorescencia para observar el movimiento de

moléculas en el entorno intracelular15. Se basa en fotoblanquear al marcador

fluorescente en un pequeño volumen dentro de la célula y registrar en el tiempo la

recuperación de la fluorescencia en la zona fotoblanqueada. En la Figura II.18 A se

muestra un esquema del experimento.

La recuperación de la fluorescencia está relacionada con los procesos de

difusión y/o químicos (unión-disociación) a los que está sujeto el marcador unido a la

proteína de interés. Las curvas de la recuperación de la fluorescencia F(t) se obtienen de

los valores de intensidad en función del tiempo según la ecuación II.7:

00

0)()(

II

ItItF

t −

−=

<

II.7

donde I(t) es la fluorescencia en el volumen de detección, I0 es la fluorescencia

inmediatamente después de fotoblanquear, y It<0 es el valor medio de la fluorescencia

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

51

antes del fotoblanqueo. Esta curva toma un valor de 1 antes del fotoblanqueo y decae a

0 en t = 0, tomado como el instante al que se registra la primer imagen después del

fotoblanqueo.

Figura II.18. A Esquema del experimento de FRAP y curva de recuperación característica de la

fluorescencia. B Las curvas de recuperación reflejan diferentes procesos dinámicos de las proteínas.

Tomado de 16

La forma de la curva dependerá del proceso o los procesos involucrados (Fig.

II.18 B). En el caso de una difusión simple, la recuperación sigue una curva

exponencial que retorna al valor inicial, y el tiempo de recuperación está asociado al

coeficiente de difusión de las moléculas unidas al fluoróforo. En casos en que la

recuperación no es total, por ejemplo en una difusión restringida, se define como

fracción móvil f al valor de la recuperación a tiempos largos. f corresponde a la

proporción de la intensidad recuperada, y puede interpretarse como la proporción de

moléculas en movimiento. En algunos casos puede estar involucrado más de un

proceso, teniendo que considerarse todas las posibilidades a la hora de ajustar las curvas

para obtener la información biológicamente relevante. En el Capítulo 5 se describirá en

detalle el modelo utilizado para analizar este tipo de experimentos en adhesiones

focales.

II.2.5.c Número y brillo (N&B)

El método número y brillo (N&B)17, una técnica derivada de la espectroscopía

por correlación de fluorescencia (FCS), se basa en el análisis de las fluctuaciones de la

Difusión simple

Difusión restringida

Proceso complejo

Difusión simple

Difusión restringida

Proceso complejo

A B

tiempo

Fotoblanqueo a t = 0

F(t)

tiempo

Fotoblanqueo a t = 0

F(t)

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

52

intensidad de la fluorescencia en cada píxel de una secuencia de imágenes,

determinándose el primer y segundo momento de su distribución. Mediante N&B se

determina el número promedio y el brillo promedio de las moléculas fluorescentes en

cada píxel de una imagen, permitiendo determinar el estado de agregación de proteínas

en la célula y diferenciarlo de su concentración. En la Figura II.19 se presenta un

esquema del análisis de N&B, que permite discriminar, a través del análisis de la

dispersión en la señal de fluorescencia, una situación en la que se tienen pocas

moléculas brillantes o agregados (A, C y E) de otra con muchas moléculas poco

intensas (B, D y F).

Figura II.19 Los esquemas A y B representan los volúmenes de detección correspondientes a dos píxeles

(k y j, respectivamente) de la imagen cuya evolución temporal en intensidad se corresponden con las

series temporales C y D. El valor medio de ambas es el mismo, no así sus desviaciones estándar como se

ve en los respectivos histogramas E y F. El histograma que presenta una mayor desviación (E)

corresponde a las fluctuaciones producidas por unas pocas partículas muy brillantes (A) mientras que el

de menor desviación se corresponde con una mayor cantidad de partículas menos brillantes. Imagen de

Digman et al.17.

Para el análisis de los datos, en el caso de una serie de K imágenes se definen

para cada píxel el valor medio <k> (ec. II.8) y la varianza �2 (ec. II.9) de la intensidad:

Tiempo (s) Tiempo (s)

Inte

nsi

dad

(kc

ps)

Inte

nsi

dad

(kc

ps)pixel k pixel j

Fre

cuen

cia

Fre

cuen

cia

A

C

E

B

D

F

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

53

K

k

k i

i�= II.8

( )

K

kki

i� −

=

2

2σ II.9

donde ki es la intensidad en el píxel para la imagen i de la secuencia.

Dadas dos series con el mismo <k>, cuanto mayor es la varianza, más grandes

son las partículas. El cociente entre <k>2 y �2 es proporcional al número de partículas.

Se definen entonces el número de moléculas aparente N (ec. II.10) y el brillo aparente B

(ec. II.11) como:

2

2

σ

kN = II.10

kN

kB

2σ== II.11

Para obtener el brillo molecular verdadero ε y el número de moléculas

verdadero n, el método asume que la agregación no cambia ε, y que la varianza tiene 2

componentes: fluctuaciones debidas a las moléculas (de varianza �n) y al ruido del

detector (de varianza �d) (ec. II.12):

222dn σσσ += II.12

donde cada una de dichas varianzas tiene una dependencia diferente con el brillo

molecular verdadero. Mientras que la varianza producida por la entrada y salida de

moléculas del volumen confocal depende cuadráticamente de � ( 22εσ nn = ), la varianza

del detector se debe a la estadística de conteo de fotones y tiene con el brillo una

dependencia lineal ( εσ nd =2 ). El brillo molecular verdadero está relacionado con el

brillo aparente mediante la ecuación II.13:

122222

+=+=+== εσ

ε

εσσσ

kn

n

kkkB ddn

II.13

de donde claramente el brillo molecular verdadero corresponde a la parte de B

producida por las fluctuaciones debidas a la dinámica de las moléculas. Entonces, los

píxeles donde las fluctuaciones de la intensidad son debidas a la difusión de partículas

presentan un B > 1, mientras que la fracción inmóvil tiene B =1.

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

54

Por simplicidad suele trabajarse con los valores aparentes (B y N) y finalmente

calcular los valores biológicamente relevantes (n y ε), pero pueden calcularse

directamente desde la intensidad media y la varianza utilizando las ecuaciones II.14 y

II.15:

k

kn

−=

2

2

σ II.14

k

k22 −

ε II.15

Para analizar el estado de agregación de las moléculas en la célula, es necesario

realizar la calibración del brillo molecular verdadero de la proteína monomérica. Esta

calibración puede hacerse utilizando el fluoróforo monomérico en solución, o si se trata

de proteínas fluorescentes también expresando únicamente la VFP (no unida a la

proteína de interés) en las células y repitiendo el experimento en el citoplasma. Se

supone que al expresar sólo la VFP, no formará agregados.

Es importante notar que el tiempo por píxel elegido para tomar las imágenes

debe ser lo suficientemente corto como para no promediar las fluctuaciones ocasionadas

por la entrada y salida de algunas moléculas en el volumen confocal iluminado. Por otra

parte, el tiempo entre imágenes (i.e. el tiempo entre los valores de ki de la secuencia de

intensidad para cada píxel) debe ser lo suficientemente largo como para que las

mediciones sean independientes entre sí, dado que al hacer la estadística no queremos

que haya correlación entre un valor y el siguiente. Asimismo, tanto B como ε dependen

de la potencia láser empleada, por lo cual la calibración del brillo del monómero debe

hacerse en las mismas condiciones que el experimento.

N&B permite entonces la determinación del estado de agregación y

concentración de proteínas en células vivas. En su versión con dos fluoróforos

(crossN&B), permite además detectar la interacción entre proteínas marcadas con

distintos fluoróforos, y a partir del brillo revelar la estequiometría de los complejos18.

- Modificación para modo pseudo-conteo de fotones y calibración de los detectores

Las consideraciones hasta aquí descriptas de N&B tienen en cuenta que los

detectores permiten el conteo de fotones. Sin embargo, la mayoría de los microscopios

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

55

confocales comerciales no cuentan con este tipo de detectores, como es el caso del

Olympus FV1000 utilizado en este trabajo de Tesis. La técnica N&B puede ser

adaptada tanto al modo analógico tradicional del microscopio como al modo pseudo-

conteo de fotones que el mismo también provee19.

Para adaptar la técnica al modo analógico, hay que tener en cuenta que en lugar

de contar fotones la señal corresponde a niveles digitales (relacionados con el número

de fotones por un factor S), y que hay un valor de offset (doffset) y un ruido adicional en

el detector (o readout noise, �02). En este caso, se deben considerar estos tres

parámetros en el cálculo de la varianza del detector y en el valor medio de la intensidad

(ecuaciones II.16 y II.17):

20

2σεσ += Snd II.16

offsetdnk += ε II.17

El modo pseudo-conteo de fotones del FV1000 detecta, para señales bajas y de

anchos de banda menores a 100 MHz, la señal del fotomultiplicador como una serie de

pulsos en el ánodo que son procesados digitalmente, reduciendo dramáticamente el

ruido. En este modo, utilizado en todos los experimentos de N&B que se presentan en

este trabajo de Tesis, no están presentes ni la señal de continua (doffset = 0) ni el ruido de

readout (�02 = 0). En este caso el valor de B puede escribirse como la ecuación II.18:

Sn

nS

n

nS

kkB dn )1(

222

+=+=+= εε

ε

ε

εσσ

II.18

donde ahora el valor de B para muestras de fluoróforos inmóviles ( 02=nσ ) es S. En

este modo de adquisición, para determinar el valor del brillo molecular verdadero

necesitamos calibrar el valor de S del detector. Dado que S corresponde al valor de B de

una muestra inmóvil, el factor S suele obtenerse por ejemplo, calculando el valor de B

para una secuencia de imágenes de ruido de oscuridad (ruido térmico de los detectores,

obtenido adquiriendo con el camino óptico obturado).

Una vez determinado el factor S, se obtiene � fácilmente según la ecuación II.19:

1−=S

Bε II.19

Resulta fundamental para este tipo de experimentos hacer un estudio previo de

caracterización de los detectores. En particular, para los detectores del FV1000 utilizado

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

56

en este trabajo, encontramos que el valor de calibración del factor S para los

experimentos de N&B medido a partir del ruido térmico resultó de una variabilidad muy

alta. Más aún, el valor de S calibrado y su variación en el tiempo a partir de que son

encendidos los detectores dependen fuertemente del estado de la cámara ambiental que

posee el microscopio para medir en células vivas.

En la Figura II.20 se muestra el estudio de la calibración del factor S y su

evolución en el tiempo a partir de que se encienden los detectores (tiempo tomado como

t = 0). Esta caracterización consistió simplemente en tomar secuencias del ruido de

oscuridad de los tres detectores del microscopio en las mismas condiciones en que se

realizaron los experimentos de N&B. El procedimiento se repitió a intervalos

espaciados de tiempo, y para cada secuencia se calibró mediante estas mediciones el

factor S. Se realizó en tres condiciones diferentes de la cámara ambiental: cámara

encendida a 37°C al momento de encender los detectores (Fig. II.20 A), mediciones a

temperatura ambiente sin encender la cámara (Fig. II.20 B) y cámara a 37°C encendida

durante toda la noche anterior a realizar la calibración (Fig. II.20 C).

Figura II.20. Evolución del factor de calibración S para N&B en modo pseudo-conteo de fotones. Se

presenta la evolución de S en tres condiciones diferentes de la cámara ambiental: cámara a 37°C

encendida a al momento de encender los detectores (A), mediciones a temperatura ambiente sin encender

la cámara (B) y cámara a 37°C encendida durante toda la noche anterior a realizar la calibración (C).

Cada color corresponde a uno de los tres detectores disponibles en el microscopio FV1000 utilizado.

Como se ve en este estudio, el valor del factor de calibración S tiene una alta

variabilidad y depende de las condiciones de la cámara ambiental. Observamos que en

todas las condiciones de la cámara y para los tres detectores, se da un aumento

progresivo de S desde que se encienden los detectores que se estabiliza en menos de 150

minutos. Es por ello que las mediciones de N&B fueron realizadas dos horas después de

encender los detectores. Por otro lado, una vez estabilizado el valor de S presenta de

0 100 200 300 400 500 600

5

6

7

S

t (min)

Ch1 Ch2 Ch3

0 100 200 300 400

5

6

7

S

t (min)

Ch1 Ch2 Ch3

0 100 200 300 400 500

5

6

7

S

t (min)

Ch1 Ch2 ch3

A B C

cámara encendida a t=0 cámara no encendida cámara encendida a t<-12hs

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

57

todos modos una variabilidad que es comparable con los cambios en el brillo entre por

ejemplo un monómero y un dímero. Por esta causa la calibración del valor de S se

realiza en cada experimento de N&B tomando una secuencia de ruido de oscuridad

inmediatamente antes o inmediatamente después de la secuencia de medición.

II.2.6 Referencias 1 Davison M., Abramowitz M., Introduction to Fluorescence. Olympus Microscopy Resource

Center (http://www.olympusmicro.com/index.html). 2 Lichtman J. W. and Conchello J. A., Nature Methods 2: 910 (2005). 3 Wilson and Sheppard C. J. R.. Theory and practice of scanning optical microscopy. Academic

Press (1984). Pawley J. B., Handbook of Biological Confocal Microscopy (3rd ed.). Springer

(2006). 4 Tsien R. Y. Annu Rev Biochem 67:509 (1998). Morin J. G. and Hastings J. W., J Cell Physiol

77(3):313 (1971). 5 Chalfie M., Tu Y., Euskirchen G., Ward W. W. and Prasher D. C., Science 263(5148):802

(1994). Inouye S. and Tsuji F. I. FEBS Lett 341(2-3):277 (1994). 6 Dixit R., Cyr R. and Gilroy S., Plant J 45(4):599 (2006). 7 Ormo M., Cubitt A. B., Kallio K., Gross L. A., Tsien R. Y. and Remington S. J., Science

273(5280):1392 (1996). Yang F., Moss L. G. and Phillips G. N. Jr., Nat Biotechnol 14(10):1246

(1996). 8 Wang Y., Shyy J. Y. and Chien S., Annu. Rev. Biomed. Eng. 10:1 (2008). 9 Benson D. M., Bryan J., Plant A. L., Gotto A. M. Jr. and Smith L. C., J Cell Biol, 100:1309

(1985). 10 Lakowicz J.R. Principles of fluorescence spectroscopy, 3rd ed. Springer, New York (2006). 11 Grecco H. E. and Bastiaens P. I. H., en Live Cell Imaging: A Laboratory Manual, Second

Edition, Capítulo 6. Cold Spring Harbor Laboratory Press (2010). 12 Jares-Erijman E. A. and Jovin T. M., Nat Biotechnol 21(11):1387 (2003). 13 Gadella T. W. J., Fret and Flim Techniques, Elsevier, Capítulo7 (2009). 14 Wouters, F. S.; Verveer, P. J.; Bastiaens, P. I. H., Trends in Cell Biology 11: 203 (2001). 15Axelrod D., Koppel D. E., Schlessinger J., Elson E., and Webb W.W., Biophys. J., 16(9):1055

(1976). Braeckmans L., Peeters N. N., Sanders S., De Smedt C., and Demeester J., Biophys. J.,

85:2240 (2003).

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II.2 Microscopía de Fluorescencia

58

16 Verkman A. S., Trends Biochem Sci. 27(1):27 (2002). 17 Digman, M.A., Dalal, R., Horowitz, A.F. and Gratton, E., Biophys. J. 94: 2320 (2008). 18 Digman M. A., Wiseman P. W., Choi C., Horwitz A. R., and Gratton E., PNAS 106: 2170

(2009). 19 Dalal R. B., Digman M.A., Horwitz A. F., Vetri V., and Gratton E., Microscopy Res. And

Tech. 71: 69 (2008).

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II.3

Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

En este capítulo describo el microscopio combinado AFM-óptico desarrollado en el

Laboratorio de Electrónica Cuántica, y las modificaciones que se realizaron durante este

trabajo de Tesis para su utilización en el estudio de células vivas. Presento también la

caracterización de la iluminación y el ruido de fondo para el análisis cuantitativo de las

imágenes de fluorescencia provenientes del microscopio combinado.

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II.3 Microscopía combinada AFM/Fluorescencia

61

II.3.1 Microscopía Combinada AFM-Fluorescencia

Tanto la microscopía óptica como la microscopía de fuerza atómica han

avanzado significativamente en los últimos años. Varios métodos de microscopía óptica

han permitido romper el límite de difracción de Abbe1, mientras que el microscopio de

fuerza atómica ha sido aplicado para obtener no sólo imágenes topográficas sino

también propiedades químicas y mecánicas de material biológico2. Combinar estas dos

técnicas abre numerosas posibilidades tanto en biofísica como en nanobiotecnología,

siendo nuestro interés particular la interacción entre una punta sensora de AFM y una

célula, y la simultánea medición de su respuesta por fluorescencia. La motivación para

combinar microscopía de fluorescencia con AFM surge de la necesidad de explotar las

ventajas de ambas técnicas de forma complementaria3. Mientras que la fluorescencia

ofrece una alta resolución temporal y sensibilidad fisicoquímica local, la AFM

constituye una herramienta única para obtener topografía en una escala nanométrica, y

brinda la posibilidad de manipular mecánicamente y detectar fuerzas de interacción

entre moléculas individuales. En este sentido, con un microscopio combinado

AFM/Fluorescencia podríamos iniciar localmente reacciones biológicas mientras

observamos cambios conformacionales y funcionales a nivel molecular y celular,

cubriendo dos escalas muy diferentes que no pueden ser abarcadas por una sola

microscopía. En el Laboratorio de Electrónica Cuántica se ha desarrollado un

microscopio multi-análisis que representa el estado del arte en tecnología. Este

microscopio combinado, AFM/Fluorescencia, podrá combinar el poder de resolución

funcional de las microscopías y espectroscopía de fuerza con la alta resolución espacial

y temporal de la microscopía multifotónica.

II.3.2 El microscopio combinado del laboratorio de Electrónica Cuántica

En el Laboratorio de Electrónica Cuántica (FCEyN-UBA) se diseñó y construyó

un microscopio multifunción como parte del trabajo de tesis doctoral del Lic. Martín

Masip y del Lic. Martín Caldarola, cuyo desarrollo es contemporáneo a esta tesis

doctoral. Este microscopio, que llamamos AFM/Fluorescencia, combina un microscopio

óptico de campo lejano, con microscopías de barrido por sonda. De esta manera se

obtiene una caracterización del material estudiado, en la escala nano y micrométrica.

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II.3 Microscopía combinada AFM/Fluorescencia

62

Está diseñado para muestras transparentes en una configuración invertida, lo cual lo

hace adaptable para el estudio de muestras biológicas. El diseño es modular, de manera

que permite el armado de la configuración deseada para cada aplicación.

En la Figura II.21 se presenta un esquema del microcopio en la configuración

AFM-Fluorescencia utilizada en este trabajo de Tesis. El cabezal de AFM fue

enteramente diseñado en el Laboratorio de Electrónica Cuántica (LEC) y permite

trabajar con los sensores de fuerza comerciales tradicionales. La electrónica que

controla el AFM (RHK Technology, SM100-AFM100) adquiere y procesa la señal del

detector de cuatro cuadrantes para registrar la deflexión del cantilever. Dicha

electrónica maneja también el lazo de realimentación así como el movimiento axial y

lateral de la muestra a través de una platina xyz piezoeléctrica (PI, P517) de

posicionamiento axial con una resolución subnanométrica y con un rango dinámico de

movimiento de 20 µm. El AFM funciona tanto en modo contacto como en tapping

mode, pudiendo realizar también la espectroscopía de fuerza.

muestra

AFM

Wide Field

CCD

objetivo

Filtro em. (GFP)

Filtro exc.(GFP)

Dicroico (GFP)

LED

Tubelens

Platina xyz muestra

AFM

Wide Field

CCD

objetivo

Filtro em. (GFP)

Filtro exc.(GFP)

Dicroico (GFP)

LED

Tubelens

Platina xyz

Figura II.21 Esquema del microscopio combinado en la configuración AFM/Fluorescencia. El juego

de filtros se seleccionó para la detección de la proteína verde fluorescente (GFP). Gentileza LEC.

El cabezal AFM funciona sobre un microscopio óptico invertido, que puede

operarse como microscopio de fluorescencia convencional utilizando como fuente de

luz un LED azul (Tolket, SRL). Para las aplicaciones de este trabajo de Tesis, se

seleccionaron filtros de excitación, dicroico y de emisión para la proteína verde

fluorescente GFP (Chroma 49002-ET-EGFP)). Se cuenta además con un filtro notch

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II.3 Microscopía combinada AFM/Fluorescencia

63

para suprimir la longitud de onda del láser utilizado para AFM. Para la detección se

utilizó una cámara CCD (Apogee Imaging Systems, Alta U2000).

En la Figura II.22 se muestran imágenes del microscopio combinado

AFM/Fluorescencia. Todo el microscopio está montado sobre una mesa óptica

antivibratoria, por lo que el inconveniente de las vibraciones, que suele afectar la

resolución en los dispositivos comerciales que se encuentran en el mercado, ha sido

subsanado.

Figura II.22 El microscopio combinado AFM/Fluorescencia del LEC. Vista general del microscopio

(izquierda) y detalle del AFM (derecha).

Este equipo ha demostrado ya la operación como microscopio de fuerza atómica

alcanzando una alta resolución, del orden de los nanómetros en las imágenes de fuerza.

En la Figura II.23 se muestran imágenes AFM de grillas de calibración tomadas en el

microscopio.

Figura II.23 Imágenes AFM del microscopio combinado AFM/Fluorescencia. A. Grilla TGZ01 (NT-

MDT, Moscú, Rusia), imagen de topografía modo contacto en aire (altura en unidades según escala

indicada, barra 5µm). B. Grilla TGT01 (NT-MDT, Moscú, Rusia), imagen obtenida utilizando la señal

error del lazo de control, modo contacto en aire (deflexión en unidades arbitrarias, barra 4µm). Gentileza

LEC4.

Óptico

AFM

láser

detector

sensor de fuerza

espejo

A B

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II.3 Microscopía combinada AFM/Fluorescencia

64

Utilizando este microscopio se han obtenido también imágenes de fluorescencia

en modo wide field de alta calidad. Por ejemplo, en la Figura II.24 se muestra la

imagen de fluorescencia de una muestra comercial de células de arteria pulmonar

bovina fijadas, cuyos microtúbulos fueron inmunomarcados con anticuerpos anti-

tubulina unidos al fluoróforo BODIPY.

Figura II.24 Imagen de fluorescencia del microscopio combinado AFM/Fluorescencia. Muestra

comercial de células de arteria pulmonar bovina fijadas químicamente e inmunomarcadas con anticuerpos

anti-tubulina unidos a BODIPY (barra 50 µm). Gentileza LEC.

Por último, el microscopio también ha demostrado la operación simultánea

óptica-fuerza, en muestras de células HeLa expresando un receptor de membrana unido

a GFP, fijadas químicamente con paraformaldehído (Figura II.25).

Figura II.25 Imagen simultánea AFM/Fluorescencia del microscopio combinado LEC. Se muestra la

imagen de topografía por AFM, la imagen de fluorescencia y ambas superpuestas, de células HeLa

expresando un receptor de membrana (receptor de insulina) unido a GFP, fijadas químicamente. Se

observa que de las 5 células presentes en la muestra, sólo una expresa el receptor unido a la proteína

fluorescente verde (gentileza LEC3).

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II.3 Microscopía combinada AFM/Fluorescencia

65

Cabe aclarar que el microscopio aquí descripto está diseñado para poder realizar

alternativamente microscopía confocal y multifotónica. Para la microscopía

multifotónica se cuenta con un láser de Ti:Za pulsado, sintonizable en el rango 750 a

850 nm, que provee pulsos de 50 fs, y de una fuente solitónica de pulsos de 40fs

sintonizable entre 850nm y 1200nm. Para la detección confocal cuenta también con un

detector APD (Perkin Elmer modelo SPCM AQR-13). Actualmente el barrido con el

láser y el barrido de la sonda local se realizan ambos con la platina motorizada, por lo

que todavía no es posible utilizarlos simultáneamente. Es por esto que en este trabajo se

utilizaron la microscopía AFM y la microscopía de fluorescencia convencional (wide

field).

II.3.3 Adaptación del microscopio combinado para trabajar con células en

condiciones fisiológicas

El microscopio combinado representa una herramienta única dado que nos

permitirá ejercer fuerzas de forma cuantitativa y puntual sobre una célula, a la vez que

desencadenamos la formación de la adhesión focal, y seguimos en función del tiempo la

respuesta bioquímica mediante la visualización y localización de proteínas componentes

de la adhesión focal o de la cascada de señalización fusionadas a VFPs. Todas las

técnicas descriptas para AFM/FS y microscopía de fluorescencia por separado, podrán

combinarse en este microscopio multi-análisis.

Como parte de este trabajo de Tesis, participé en la adaptación del microscopio

combinado AFM/Fluorescencia para poder realizar mediciones en condiciones

fisiológicas. En estas condiciones, podemos repetir y combinar todos los experimentos

pensados tanto para biomoléculas individuales como para células vivas.

En este sentido, la modificación más importante que tuvo que hacerse fue lograr

que el microscopio pueda trabajar en medio líquido dado que se necesita que la muestra

esté cubierta por la solución. En el caso de células vivas es necesario mantener las

condiciones fisiológicas. En principio, el hecho de que la muestra esté cubierta por

líquido hace que el láser del AFM se vea deflectado en un ángulo diferente al que

presenta en el aire, por lo que se debe adecuar la alineación del mismo. Ahora bien, si la

interfase líquido-aire cambia su forma ya sea por el movimiento de la platina o bien por

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II.3 Microscopía combinada AFM/Fluorescencia

66

la evaporación del líquido durante la medición, la alineación no puede mantenerse

durante el experimento. Es por ello que se diseñó una pieza que puede unirse al cabezal

en el que se coloca el sensor de fuerza, que aprisiona la gota de solución debajo de una

interfase de vidrio de manera tal que la alineación se mantenga constante durante todo el

experimento. En la Figura II.26 se muestra el detalle del cabezal de AFM trabajando en

solución, con la pieza diseñada.

Figura II.26 Cabezal AFM y celda para trabajar en solución.

En la Figura II.27 se muestran imágenes de la grilla de calibración TGZ01 (NT-

MDT, Moscú, Rusia) tomada en solución, en las que puede verse que la resolución del

microscopio se mantiene al trabajar en líquido.

Figura II.27 Imágenes AFM del microscopio combinado AFM/Fluorescencia en solución. Grilla

TGZ01 (NT-MDT, Moscú, Rusia), imagen en modo contacto de topografía (izquierda) y la señal error

(derecha). Gentileza LEC.

En el Capítulo 7 se presentan los resultados obtenidos con este microscopio en

condiciones fisiológicas, tanto para biomoléculas como para células vivas.

interfase de vidrio gota de solución

pieza diseñada

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II.3 Microscopía combinada AFM/Fluorescencia

67

II.3.4 Microscopía de fluorescencia. Caracterización de la iluminación y ruido de

fondo para el análisis cuantitativo de las imágenes

Para poder hacer un análisis cuantitativo de las imágenes de fluorescencia

adquiridas en el microscopio combinado AFM/Fluorescencia, caracterizamos tanto la

uniformidad en la iluminación como el ruido de fondo y sus fuentes. Los dos

parámetros fueron optimizados de manera de minimizar tanto la no uniformidad en la

iluminación como el background. Presentamos aquí la caracterización de ambos

factores.

II.3.4 a Iluminación

Para caracterizar la uniformidad en la iluminación de la luz de excitación del

microscopio combinado, tomamos imágenes en fluorescencia de un portaobjetos de

plástico uniformemente fluorescente comercial (autofluorescent plastic slide, Chroma

Technology, Vermont, Estados Unidos). En la Figura II.28 se muestra una imagen del

portaobjeto de diagnóstico en fluorescencia, de todo el campo visual.

Figura II.28 Caracterización de la iluminación. A. Imagen de un portaobjetos uniformemente

fluorescente, tomada en todo el campo del microscopio (barra 50 µm). Se nota la no uniformidad en los

bordes del objetivo, además de granos sobre la superficie correspondientes a suciedad en el portaobjetos.

B. Imagen A en forma tridimensional, donde puede notarse la no uniformidad en términos de intensidad.

C. Histograma de intensidades de la imagen, que presenta una desviación estándar del 13.5%.

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000Intensidad

Fre

cuen

cia

A

B C

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II.3 Microscopía combinada AFM/Fluorescencia

68

Puede verse en los bordes un círculo a partir del cual la fluorescencia es menos

intensa, esto se corresponde con los bordes de la lente objetivo. Los granos más oscuros

que se observan en la superficie corresponden a suciedad en el portaobjetos

fluorescente, no estando relacionados con la iluminación.

Si bien se ve una clara no uniformidad en la iluminación, en los experimentos

realizados en este trabajo se tomaron imágenes en la zona central del campo de

iluminación en la que las diferencias son menores. En cada experimento, como se

detallará en el Capítulo 7, se analizó cuidadosamente la iluminación en la zona

estudiada y se cuantificó la misma para considerar sus posibles efectos en los

resultados.

II.3.4 b Ruido de fondo

Se caracterizaron también las señales de ruido de fondo o background para el

microscopio combinado AFM/Fluorescencia. En la Figura II.29 A se ve una imagen

del ruido de oscuridad, con el LED apagado y también apagando el láser de la cabeza

del AFM. Es importante notar que si bien el microscopio cuenta con un filtro notch para

suprimir la longitud de onda del láser utilizado para el AFM, la señal proveniente de

este láser no es despreciable, como se observa en la Figura II.29 B.

Figura II.29 Caracterización de las señales de fondo. A. Ruido de oscuridad, tomado con el LED azul

y el láser del AFM apagados. Barra 50 µm. B. Ruido proveniente del láser utilizado para AFM (tomado

sobre una muestra de perlas fluorescentes, con el LED apagado). Se puede ver la sombra del sensor de

fuerza, debida a la señal transmitida del láser de AFM. Ambas imágenes tomadas con 1 segundo de

integración, y binning 4x4. Los recuadros internos muestran los histogramas de intensidad de cada

imagen.

A B

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II.3 Microscopía combinada AFM/Fluorescencia

69

Esta observación explica por qué en las imágenes de fluorescencia se puede ver

la sombra del sensor de fuerza que no debería registrarse con la epi-iluminación del

LED. La luz transmitida del láser rojo del AFM es la que provoca entonces una sombra

debajo del cantilever, generando un ruido de fondo en esta zona diferente respecto del

background general de la imagen. Este hecho será tenido en cuenta a la hora de analizar

los datos, como se detallará en el Capítulo 7.

II.3.5 REFERENCIAS

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(2011). 4 Masip, M. E, Microscopía combinada de alta resolución. Aplicaciones a la plasmónica y la

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II.4

Cultivo celular y dispositivo estirador

de células vivas en cultivo

Como parte de mi formación en este trabajo de Tesis, me familiaricé con las técnicas de

cultivo celular, crio-preservación y transfección para poder preparar todas las muestras

utilizadas en los experimentos. En este capítulo describo el modelo celular utilizado en

el estudio de la mecanotransducción celular, la línea HC11, y los protocolos para la

preparación de las muestras y conservación de las células. Menciono también los

plásmidos con los que se expresaron las proteínas quimeras (VFP-proteína de adhesión)

en las células para su visualización. Por último presento el dispositivo especialmente

diseñado y construido para el estiramiento mecánico de las células en cultivo y su

calibración.

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II.4 Cultivo celular y dispositivo estirador de células vivas

73

II.4.1 Cultivo celular: línea celular utilizada

La mayoría de las células animales y vegetales aisladas pueden vivir,

multiplicarse, e incluso presentar ciertas propiedades diferenciales, si se las cultiva en

placas de plástico y con medios de cultivo adecuados. Así, las células pueden ser

observadas continuamente bajo el microscopio o analizadas bioquímicamente, para

estudiar los efectos del agregado o remoción de moléculas específicas, como hormonas

o factores de crecimiento. Los cultivos se establecen principalmente a partir de

suspensiones celulares generadas por disgregación de tejidos. La mayoría de las células

que forman parte de tejidos no pueden vivir en suspensión, y requieren una superficie

sólida sobre la cual crecer y multiplicarse. Es por esto que se cultivan en placas de Petri

o botellas de cultivo de plástico.

Las líneas celulares son células en cultivo que proliferan indefinidamente, ya sea

naturalmente o por la adición de algún gen específico. Son muy útiles en la

investigación celular, como fuente de un gran número de células uniformes, que pueden

ser conservadas y almacenadas en nitrógeno líquido (a -196 °C) por un período muy

largo de tiempo, reteniendo su viabilidad y siendo un buen modelo experimental para

las primeras etapas de una investigación. A pesar de la gran similitud que las células de

una línea tienen entre sí, no son idénticas. La uniformidad genética en una línea celular

puede mejorarse por clonado celular, a través del cual se aísla una sola célula, la que

prolifera para formar una colonia de células clonales (idénticas).

En este trabajo de Tesis se utilizó como sistema biológico modelo la línea

celular HC11, línea celular de tipo epitelial mamaria normal de ratón. Las HC11

constituyen un excelente modelo para el estudio de las modificaciones fisiológicas,

morfológicas y morfométricas que caracterizan el proceso biológico de

mecanotransducción celular1. El desarrollo postnatal de la glándula mamaria es un

proceso finamente regulado. Su progresión a través de los distintos estadios, conocidos

como virginidad, preñez, lactancia e involución ocurre por la interacción de múltiples

factores que influencian la migración, proliferación, diferenciación y muerte de los

distintos tipos celulares presentes en la glándula2. La evolución de las FAs durante el

desarrollo y su influencia sobre la fisiología de la glándula mamaria es todavía

desconocida.

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II.4 Cultivo celular y dispositivo estirador de células vivas

74

El medio de cultivo RPMI 1640 en el que crece la línea HC11, suero fetal

bovino (SFB), los antibióticos penicilina y estreptomicina, y la tripsina utilizados para

cultivo celular fueron de GIBCO, Invitrogen (Grand Island, EEUU). Se utilizó también

la solución tampón o buffer fosfato salino, PBS (137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 100 mM

Na2HPO4, 2 mM KH2PO4, pH 7.4).

II.4.2 Protocolos de cultivo celular y crio-preservación

-Mantenimiento del cultivo celular

Las células HC11 se mantuvieron en medio RPMI 1640 suplementado con

insulina 5 µg/ml penicilina (10 UI/ml), estreptomicina (10 µg/ml) y 10 % (v/v) suero

fetal bovino (SFB): de ahora en adelante, RPMI completo, a 37 ºC en 5 % CO2 y 98 %

de humedad. Cuando las células alcanzaban una confluencia aproximada del 90- 95 %

fueron lavadas con PBS y tratadas con 0.25 % tripsina / 0.53 mM EDTA a 37 ºC hasta

observar en el microscopio que se despegaran de la superficie de la placa. En este

momento se las resuspendió en medio fresco realizándose la dilución deseada.

-Crio-preservación

Cuando los cultivos celulares alcanzaron el 90 % de confluencia, las células

fueron colectadas como se describió anteriormente, centrifugadas durante 4 minutos a

800 rpm y luego resuspendidas en medio de cultivo con 20 % SFB (v/v), agregándole

luego el mismo volumen de medio con 20 % SFB (v/v) y 20 % DMSO (v/v). Las

células fueron fraccionadas en alícuotas de 1 ml en crio-tubos y colocadas en un

dispositivo “cryo-cooler” a -80 ºC. Luego de por lo menos 24 h las células fueron

transferidas a un tanque con nitrógeno líquido para preservarlas hasta su utilización.

II.4.3 Transfecciones

La transfección se define como la introducción dentro de una célula eucariota de

una molécula de ADN que no pertenece a la célula. Como resultado, la célula presenta

en general un gen mutado además de su gen normal (en células haploides el gen puede

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II.4 Cultivo celular y dispositivo estirador de células vivas

75

ser reemplazado). Cuando el gen normal continúa presente, sólo se observan factores

dominantes de la alteración en análisis fenotípicos.

Las técnicas de transfección celular han permitido en gran medida ampliar los

conocimientos acerca de la regulación génica y de la función de las proteínas en los

sistemas celulares. En este caso la introducción de una construcción de ADN

recombinante en la que se ha situado una secuencia codificante de un gen reportero,

como los que codifican las proteínas fluorescentes en el visible (VFPs: GFP, CFP, YFP,

mCherry, etc.), permite identificar y observar la dinámica dentro de la célula de las

proteínas de interés mediante microscopía de fluorescencia.

En este trabajo se utilizó el método de transfección por lipofección, basado en la

formación de complejos entre lípidos catiónicos y ADN. El complejo tiene afinidad por

la membrana y permite la entrada del ADN en el citosol. Existen un gran número de

lípidos que se emplean en lipofección, aunque hay una estructura consenso de un lípido

catiónico sintético, a partir de la cual se han diseñado muchas variantes. Es esencial

optimizar las condiciones específicas de transfección para obtener buenas eficiencias de

transfección, que suelen ser en buenas condiciones de entre el 70 y el 90% de las células

de la placa. Las desventajas del método son, aparte del elevado precio de los lípidos, el

hecho de que no todos los lípidos funcionan en todos los tipos celulares, y que hay que

optimizar el ensayo para cada tipo celular. Los parámetros a optimizar son la relación

entre lípido y ADN (relación de cargas), la cantidad de ADN empleado, el tiempo que

se exponen las células al complejo, y la presencia o ausencia de suero. En este caso el

lípido de transfección utilizado fue Lipofectamina (Invitrogen)3.

Protocolo de transfección

Las células se plaquearon sobre cubreobjetos de 25 mm en placas de 6 pocillos

(5 x 105 células/pocillo) en RPMI completo. Al día siguiente se lavaron con PBS

agregando luego 500 �l de RPMI sin suero y sin antibióticos. Se prepararon por otro

lado dos soluciones (por pocillo): A) 50 �l Optimem + 4 µl de Lipofectamina y B) 50 µl

Optimem + 4 �g de ADN. Las soluciones A y B se incubaron 5 min a temperatura

ambiente (TA) y luego se combinaron incubándolas 20 min a TA, agregándolas

finalmente al pocillo con células y medio de cultivo de a gotas. Las células se

mantuvieron a 37 ºC con esta mezcla durante 5 h, posteriormente se las lavó con PBS y

se las dejó en RPMI completo durante toda la noche. Al día siguiente se lavaron

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II.4 Cultivo celular y dispositivo estirador de células vivas

76

nuevamente con PBS y se renovó el medio dejándolas aproximadamente 40 h antes de

realizar los experimentos. En el caso de las membranas de silicona, se plaquearon en

placas de Petri de 60 mm de diámetro (12 x 105 células/placa) y se utilizaron 5 µl de

lipofectamina y 4 µg de ADN por placa para las soluciones de transfección. Estas

condiciones se determinaron como óptimas para cada plásmido. Para evaluar la

eficiencia de transfección por microscopía de fluorescencia se observó la expresión de

las proteínas marcadas. Se cuantificó la eficiencia de transfección como el cociente

entre el número de células transfectadas (presencia de proteína marcada) y el número

total de células.

II.4.4 Proteínas expresadas y plásmidos

Para la elección de las proteínas de las adhesiones focales estudiadas, se tuvieron

en cuenta los antecedentes respecto de cuáles de las aproximadamente 160 proteínas que

componen las adhesiones focales (FAs) son las posibles sensoras de fuerzas mecánicas.

Se conoce que el agregado de integrinas promueve el reclutamiento de varias

proteínas en sus dominios citoplasmáticos, lo que hace que las integrinas queden unidas

mecánicamente a la proteína actina del citoesqueleto4. Las moléculas reclutadas para

anclar el citoesqueleto a las FAs incluyen talina, vinculina, �-actinina, zixina y FAK5.

De esta manera las FAs establecen una conexión entre la matriz extracelular y la actina

del citoesqueleto, y sirven como puntos de tracción para la célula. Las adhesiones

focales a menudo están localizadas en la periferia de las células, son estructuras

transientes planas, alargadas de unos pocos micrones cuadrados, las cuales además han

sido postuladas como “organelas de señalización” en el proceso de mecanotransducción

celular6. Las FAs se ensamblan o reorganizan en forma dinámica en las células7, y este

continuo remodelado es crucial para el movimiento celular8 y las respuestas a fuerzas

mecánicas9. Ejemplos de mecanismos moleculares mecanosensitivos en las FAs

involucran a FAK10 (quinasa de adhesión focal), paxilina11 (proteína adaptadora), Src

(tirosina quinasa) y p130Cas12. Dentro de la célula, el movimiento interno de los

filamentos de actina también sería detectado por las FAs a través de un mecanismo

complejo basado en las múltiples interacciones transientes proteína-proteína que tienen

lugar en la adhesión focal13. A pesar del enorme progreso hecho en la caracterización a

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II.4 Cultivo celular y dispositivo estirador de células vivas

77

nivel molecular de estas estructuras en los últimos años14, todavía existen interrogantes

sin contestar acerca de su composición, su formación y su dinámica.

Recientemente se ha postulado a la proteína zixina como una potencial proteína

mecanosensitiva en la adhesión celular. La zixina, proteína adaptadora presente en las

FAs, reúne varias características que nos permitirían identificarla como protagonista

importante en el proceso de mecanotransducción celular: 1) está localizada

predominantemente en las adhesiones focales, el sitio donde se piensa que reside el

mecanosensor15; 2) sirve de andamiaje o plataforma en la FA al unirse/reclutar a varias

proteínas tales como �-actinina y miembros de la familia Ena/VASP16; 3) interacciona

directamente con la proteína p130Cas que es potencialmente una molécula

mecanosensora17; 4) su reclutamiento en las FAs dependería de la fuerza mecánica

ejercida sobre la FA18; 5) su asociación con los extremos de las fibras de actina y su

capacidad de promover el ensamblado del filamento de actina son consistentes con su

participación en la remodelación del citoesqueleto en respuesta a una carga mecánica19;

6) su ablación genética o deslocalización deriva en una deficiencia en la migración de

las células20; 7) su translocación al núcleo en células expuestas a un estiramiento cíclico

alteraría la expresión de genes mecanosensitivos21. Estos resultados sugerirían que

existe una conexión entre el estímulo mecánico y el comportamiento de la zixina en las

adhesiones focales. Sin embargo, no hay evidencias cuantitativas de la relación entre

fuerzas moleculares y dinámica intracelular de la proteína. Los detalles de qué

molécula/s sensa/n las fuerzas mecánicas y reclutan a la zixina a las FAs, fibras de

estrés o al núcleo, cómo es la interacción entre la zixina y F-actina en función del estrés

mecánico, cómo variaciones en la unión de zixina en la FA afectan la morfología y

respuesta a la deformación mecánica, cómo se transmiten las fuerzas o cómo son

traducidas mecano-químicamente, no se conocen.

La vinculina es una proteína intracelular de FAs en cuya estructura se distinguen

dos dominios: una cabeza (Vh) y una cola (Vt) separadas por un espaciador flexible22.

Al igual que zixina, reúne varias características que nos permitirían identificarla como

protagonista importante en el proceso de mecanotransducción celular: 1) es la proteína

más abundante de las FAs23; 2) interactúa con varias proteínas de las FAs como talina,

paxilina, α-actinina y actina; 3) la unión de Vh a talina recluta vinculina a las FAs

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II.4 Cultivo celular y dispositivo estirador de células vivas

78

mientras que Vt se une a F.actina y paxilina24; 4) el reclutamiento de esta proteína es

regulado por fuerzas mecánicas generadas en el exterior o en el interior de la célula25; 5)

células deficientes en vinculina presentan una migración defectuosa y ejercen fuerzas de

tracción menores26; 6) es un elemento molecular clave que permitiría el acople

mecánico entre las integrinas y el citoesqueleto27; 7) colocaliza con áreas de fuerzas con

valores altos durante la migración celular. Estos resultados sugerirían que existe una

relación entre el estímulo mecánico y el comportamiento de la vinculina en las

adhesiones focales.

En este contexto, tanto la zixina como la vinculina parecen estar involucradas en

la transducción de los estímulos mecánicos. Es por ello que pusimos especial interés en

el estudio de ambas. Por otra parte, la utilización del sensor de tensión basado en

vinculina nos proveyó una herramienta única para estudiar el estado mecánico de las

FAs.

En la Tabla II.2 se indican los plásmidos utilizados en todos los experimentos

de esta Tesis, que fueron generosamente cedidos por distintos laboratorios.

Proteína VFP Origen

zixina GFP Dr. D. Ingber

FAK GFP Dr. J.T. Parsons

paxilina GFP Dr. Tamada

paxilina mCherry Dr. E. Gratton

vinculina GFP Dr. B. Geiger

lifeACT (actina) mCherry Dr. A. Cáceres

Sensores de vinculina Venus-cerulean Dr. H. Grecco

Tabla II.2 Resumen de los plásmidos utilizados para las transfecciones realizadas en este trabajo de

Tesis. La primer columna indica la proteína de interés, la segunda las proteínas fluorescentes a las que

están unidas. La tercera columna menciona los grupos que generosamente nos cedieron las

construcciones.

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II.4 Cultivo celular y dispositivo estirador de células vivas

79

II.4.5 Dispositivo estirador de células vivas en cultivo: diseño y calibración del

estiramiento

Para estudiar los cambios generados en las interacciones moleculares en células,

en respuesta a un estímulo mecánico externo global, utilizamos un estirador mecánico

de células. Modificamos el diseño de un dispositivo estirador de células28 para utilizarlo

en el microscopio confocal, para lo cual las piezas fueron torneadas en el taller del

Departamento de Física. El diseño del estirador se presenta en la Figura II.30.

Este dispositivo utiliza una membrana flexible de silicona (Silicone Sheeting

.005” NRV 40D Gloss/Gloss, Specialty Manufacturing, Inc.) cubierta con fibronectina

sobre la que se cultivan las células. Al estirar la membrana de silicona también se

estiran las células, en dirección radial.

Figura II.30 Estirador mecánico de células vivas en cultivo. Fotografías digitales que muestran las

distintas piezas que componen el dispositivo y el ensamblado del mismo.

Calibración del estiramiento

El primer paso para la utilización del estirador mecánico fue cuantificar el

estiramiento radial producido en cada vuelta de rosca dada. Para ello utilizamos

microesferas fluorescentes (marcadas con el fluoróforo Dragon Green, Bangs

Laboratories) y realizamos una calibración utilizando las distancias entre las

microesferas antes y después de cada vuelta de estiramiento. Seguimos los siguientes

pasos para la calibración:

- Marcamos con marcador la membrana de silicona con 5 cruces (dispuestas en forma

de cruz, separadas 7mm) para identificar las microesferas a medir.

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II.4 Cultivo celular y dispositivo estirador de células vivas

80

- Dejamos por 20 minutos una solución de microesferas de 500nm de diámetro, Dragon

Green (excitación 480nm, emisión 520nm, Bangs Laboratory CP01F) recubiertas con la

proteína estreptavidina. Del stock comercial usamos una dilución 1:500000 (1/500k);

colocamos una gota de 50µl, dejamos por 20 minutos y luego retiramos y secamos con

nitrógeno.1

- Identificamos algunas microesferas y medimos las mismas distancias (tomadas en

diferentes direcciones) antes y después de cada vuelta de rosca del estirador.

Un ejemplo de estas mediciones de estiramiento tomadas con una lente objetivo

de magnificación 10X y apertura numérica (NA) 0.3 se muestra en la Figura II.31. En la

tabla se presentan los valores medidos de las distancias asignadas en el gráfico.

Figura II.31 Calibración del estirador mecánico. Imagen de microesferas fluorescentes sobre la

membrana de silicona, tomada con un objetivo 10X, que muestra en forma representativa la

caracterización del estirador mecánico: se seleccionan ciertas microesferas en la imagen y se cuantifican

todas las distancias marcadas, para compararlas con las distancias equivalentes después de realizar el

estiramiento mecánico.

1 Para probar concentración de microesferas, del stock comercial hicimos diluciones 1:500; 1:5k; 1:50k, 1:500k, 1:5M, una gota se depositó sobre un cubreobjetos y se observó en el microscopio de fluorescencia. La dilución elegida es la de 1/500k ó 1/5M.

x3

x2

x1

y2

y1

y3

dd1

dd2

dd3

da1 da2

da3

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II.4 Cultivo celular y dispositivo estirador de células vivas

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Las imágenes para la calibración fueron tomadas con dos lentes objetivos a

distintas magnificaciones (10X NA 0.3 y 40X NA 0.75) y se corroboró la linealidad del

estiramiento en ambos casos. En la Figura II.32A presento la curva de calibración

obtenida.

Figura II.32 Calibración del estirador mecánico. A Resultados de la fracción de estiramiento en

diferentes direcciones en función del número de vueltas. La línea representa el ajuste lineal, con una

pendiente de (0.05651 +/- 0.00068). B Análisis de la reversibilidad del estiramiento: a partir de la vuelta

número 7 se aflojó la membrana vuelta a vuelta, y se continuaron midiendo las mismas distancias.

Como puede verse la dependencia de la fracción de estiramiento con el número

de vueltas resultó lineal en todas las direcciones estudiadas, lo que corrobora que el

estiramiento del dispositivo diseñado es radial. Se encontró que el estiramiento radial es

de un (5.65± 0.07) % por cada vuelta.

Por otra parte, analizamos la reversibilidad del estiramiento midiendo las

mismas distancias al hacer el proceso inverso al estiramiento. Se obtuvo que la

respuesta no es lineal ni tampoco reproducible. En la Figura II.32B se presentan los

valores medios de las distancias para las dos acciones: estirar y aflojar.

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

dist

anci

a es

tirad

a / d

ista

ncia

inic

ial

# vueltas

A

0 2 4 6 8 10 12 14

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5 B

dist

anci

a es

tirad

a/di

stan

cia

inic

ial

# vueltas

7 vueltas

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II.4 Cultivo celular y dispositivo estirador de células vivas

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II.4.6 Referencias

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II.4 Cultivo celular y dispositivo estirador de células vivas

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(2008). 25 Galbraith, C. G., Yamada, K. M. & Sheetz, M. P., J. Cell Biol. 159: 695 (2002); Riveline D.,

Zamir E., Balaban N. Q., Schwarz U. S., Ishizaki T., Narumiya S., Kam Z., Geiger B.,

Bershadsky A. D., J. Cell Biol. 153: 1175 (2001). 26 Xu, W., Baribault, H.&Adamson, E. D., Development 125: 327 (1998); Alenghat F. J., Fabry

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(2000); Mierke C., Kollmannsberger P., Zitterbart D. P., Smith J., Fabry B., and Goldmann W.

H., Biophys. J. 94 : 661 (2008). 27 Hu, K., Ji, L., Applegate, K. T., Danuser, G. & Waterman-Storer, C. M., Science 315: 111

(2007). 28 Quaglino A., Salierno M., Pellegrotti J., Rubinstein N., and Kordon E. C, BMC Cell Biology

10: 1 (2009).

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III. Microscopía de fuerza

atómica y espectroscopía de

fuerza avanzadas: visualización

y propiedades mecánicas.

Detección y localización de eventos

singulares de reconocimiento molecular.

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Capítulo 1

Caracterización de un biosensor amperométrico-

enzimático basado en reconocimiento molecular

En este capítulo presento la caracterización de interacciones moleculares mediante el

estudio de un biosensor por Microscopía de Fuerza Atómica. El sistema de estudio es

una plataforma multiproteica ensamblada capa-por-capa, un biosensor amperométrico

enzimático de glucosa basado en reconocimiento molecular. Mediante el estudio de la

topografía de cada capa del biosensor durante el proceso de fabricación corroboramos

las interacciones moleculares entre las diferentes capas complementando otras técnicas.

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1. Caracterización de un biosensor amperométrico-enzimático basado en reconocimiento molecular

89

1.1 Introducción

El desarrollo de interfaces bioelectrónicas, con una arquitectura supramolecular

composicional y topológicamente controlada, ha resultado de gran interés en el campo de la

bioelectrónica y el biosensado, un área que evoluciona día a día. En este capítulo se describe

el estudio de un biosensor de glucosa preparado mediante el ensamblado capa-por-capa sobre

un electrodo de oro teniendo en cuenta el reconocimiento molecular de glicoenzimas. El

diseño de esta arquitectura con interfaces multiproteicas está basado en las interacciones

supramoleculares multivalentes del tipo carbohidratos-lectinas entre glicoproteínas redox y

derivados de la proteína Concanavalina A (Con A).

Los experimentos descriptos en este capítulo fueron realizados en colaboración con el

grupo del Dr. Omar Azzaroni (INIFTA), en el que se diseñó el biosensor y se caracterizó por

diferentes técnicas: microbalanza de cuarzo con disipación (QCM-D), y técnicas

electroquímicas (EC).

Mediante Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) realizamos un estudio topológico/

estructural del biosensor diseñado que permitió, en combinación con resultados obtenidos

mediante otras técnicas, obtener información sobre las interacciones biomoleculares entre las

proteínas que se ensamblaron en cada capa. En el marco de esta Tesis, los experimentos

descriptos en este capítulo resultaron muy importantes como introducción a la microscopía y

su utilización en condiciones fisiológicas a través de un sistema sencillo.

1.2 Biosensor de glucosa capa-por-capa: fabricación y caracterización

La plataforma para construir los ensamblados supramoleculares fue obtenida a partir

de modificar láminas delgadas de oro con grupos manosa, siguiendo un protocolo descripto

por Willner y colaboradores para la inmovilización de Con A a través de interacciones

carbohidratos-lectinas1. Específicamente, se utilizaron Con A nativa o marcada con un

derivado de osmio como es el complejo [Os(bpy)2Clpy]2+ (Os-Con A) para dirigir, en un

proceso topológicamente controlado, el ensamblado de las proteínas: peroxidasa del rábano

(HRP) y la glucosa oxidasa (GOx). En esta configuración, la GOx es el elemento de

bioreconocimiento al estímulo de glucosa, mientras que la HRP es el elemento transductor de

la señal.

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1. Caracterización de un biosensor amperométrico-enzimático basado en reconocimiento molecular

90

En la Figura 1.1 se presenta un esquema del ensamblado. El proceso de ensamblado

se realiza incubando el sustrato para cada capa en las soluciones de las diferentes moléculas,

por distintos tiempos. Partiendo de electrodos de oro manosilados (para lo que se trataron

primero con una solución de cistamina en etanol y luego se modificaron con una monocapa de

fenil α-D-manopiranósido), se autoensamblaron las capas sucesivas de: Con A redox-activa,

HRP, Con A y GOx, como se muestra en el esquema.

Figura 1.1. Esquema ilustrativo del sensor de glucosa capa-por-capa ensamblado por reconocimiento molecular.

La figura describe los bloques de construcción que participan en la generación de la señal bioelectrónica en

presencia de glucosa: Con A redox-activa, HRP, Con A y GOx. Tomado de 2.

En nuestro contexto experimental, cada bloque de construcción contribuye a una

función particular del ensamblado completo. GOx es el elemento de bioreconocimiento que

cataliza la transformación química del estímulo químico (la glucosa), HRP es el elemento

bioactivo transductor y Con A actúa como el puente biosupramolecular que une las capas

glicoproteicas. En esta arquitectura de interfaces la primera capa de lectinas (Os-Con A) es la

responsable de actuar no sólo como “pegamento biosupramolecular” para facilitar la unión

robusta de HRP sin afectar su actividad catalítica, sino también como una fase conductora de

electrones que permita la comunicación entre el grupo prostético de la enzima y el electrodo

sustrato. Por otro lado, el rol de la última capa de lectinas (Con A nativa) es solamente el de

ensamblar la HRP y la GOx muy próximas a través de uniones robustas, específicas y no

covalentes.

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1. Caracterización de un biosensor amperométrico-enzimático basado en reconocimiento molecular

91

El grupo del Dr. Azzaroni caracterizó previamente la formación y funcionalidad del

biosensor mediante otras técnicas como microbalanza de cristal de cuarzo y técnicas

electroquímicas Por un lado, mediante microbalanza de cuarzo con monitoreo de disipación

(QCM-D) se siguió en tiempo real el crecimiento del ensamblado multicapas guiado por

reconocimiento molecular entre los sucesivos bloques de construcción. Los cambios

observados tanto en la frecuencia como en la disipación permitieron inferir las características

del ensamblado para demostrar que cada capa es eficientemente ligada a la estructura

supramolecular y que en la superficie del sensor no quedan proteínas unidas débilmente. Por

otro lado, utilizaron voltametría cíclica para estudiar la respuesta química bioelectrocatalítica

de los ensamblados supramoleculares de HRP/Con A/GOx formados en los electrodos de oro

modificados con la Con A redox-activa. Mediante esta técnica electroquímica verificaron

entonces la funcionalidad en cada capa como transductora de la señal de bioreconocimiento.

Observaron también que ensamblados supramoleculares análogos que contienen Con A nativa

(no electroactiva) no presentan actividad electrocatalítica, lo que corroboró que la capa de

Con A modificada con OsII/III actúa no sólo como una plataforma de bioafinidad para unir la

peroxidasa sino también como conductora conectando eléctricamente a los electrodos de oro.

Los resultados experimentales de esta caracterización previa exceden el marco de esta Tesis,

pero se detallan en el trabajo publicado por el grupo2.

Uso de capas bioensambladas de dextrano como barreras

La GOx en su forma reducida puede interactuar con el OsIII generado por la reacción

de la HRP, promoviendo una disminución temporaria en la magnitud de la señal

electroquímica catódica de la cadena biomimética completa. La presencia de de centros de Os

cercanos a la GOx introduce una ruta no deseada para la transducción electroquímica de las

transformaciones bioquímicas (Fig. 1.2 A), un escenario similar al ya descripto por otros

autores en electrodos bienzimáticos3. Es por esto que para una conversión óptima de la cadena

de señales biomiméticas es necesario desacoplar el proceso bioquímico que ocurre en la

región externa del ensamblado (oxidación de la glucosa en presencia de GOx y O2 fisiológico)

de la transferencia de electrones en presencia de HRP en las primeras capas del bioconjugado.

Con este fin, se exploró el uso de dextrano como una intercapa permeable que permite la

separación física de los centros de Os unidos a la primer capa de Con A de la capa de GOx

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1. Caracterización de un biosensor amperométrico-enzimático basado en reconocimiento molecular

92

ensamblada al final del film multiprotecio. El dextrano es un polisacárido que se une

específicamente a la Con A4.

Figura 1.2. Esquema de los dos posibles escenarios en que se transduce la señal biomimética. A La presencia de

GOx en su forma reducida puede reaccionar con sitios de OsIII vecinos generados a través de la reacción de la

HRP. Esta configuración interfacial puede promover una disminución temporaria en la magnitud de la señal

catódica proveniente de la cadena de señales biomiméticas debido a rutas de transducción no deseadas. B Una

conversión cuantitativa óptima de la cadena de señales biomiméticas en una señal eléctrica implica la oxidación

de la glucosa en presencia de GOx y O2 fisiológico sin la interferencia de los grupos OsIII vecinos. Ésto se logra

usando capas bioensambladas de dextrano como barreras físicas que separan los centros redox de Os de los sitios

cofactores de FAD en la capa de GOx sin dificultar la difusión libre de H2O2 en las capas anteriores de HRP.

Las mediciones crono-ampreométricas previas evidenciaron que la presencia de

dextrano permite una respuesta a la glucosa mejor definida y más estable. Aunque el dextrano

no tenga asignado un rol activo en el ensamblado, su función como componente estructural es

decisiva para optimizar la respuesta eléctrica y la sensibilidad de la cadena de señales

biomiméticas. Esto implicaría que el ensamblado dirigido por reconocimiento de dextrano en

sitios expuestos de la capa de Os-Con A llenaría los espacios de la arquitectura HRP/Os-Con

A y consecuentemente ayudaría a separar les centros redox de Os de los sitos cofactores de la

coenzima FAD en la capa de GOx sin interponerse a la difusión libre de H2O2 en las capas

interiores de el ensamblado (Fig. 1.2 B).

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1. Caracterización de un biosensor amperométrico-enzimático basado en reconocimiento molecular

93

1.3 Caracterización de la topografía de cada capa del ensamblado mediante Microscopía

de Fuerza Atómica

La Microscopía de Fuerza Atómica resulta para este sistema en estudio una técnica

ideal para complementar las técnicas de caracterización mencionadas, dado que nos permite

visualizar la topografía y la estructura de cada capa del ensamblado multiproteico. En este

sentido, se tomaron imágenes de la superficie del ensamblado en cada paso de modificación,

partiendo del sustrato de oro (en este caso utilizamos oro Robax). Las imágenes fueron

tomadas con el AFM Multimode descripto en la sección II.1, en modo de contacto

intermitenete (tapping mode) y en condiciones fisiológicas, utilizando como medio la

solución buffer PBS con CaCl2 (0.5 mM) y MgCl2 (0.5 mM).

Las características estructurales del ensamblado molecular se evidencian claramente

con esta técnica in situ. En la Figura 1.3 presento los resultados para una secuencia del

ensamblado multiproteico.

Figura 1.3 Imágenes AFM en 3 dimensiones (1 x 1 µm2, rotación: 45°) y secciones tomadas en la zona central

de cada una, tomadas in situ en cada paso del ensamblado multiproteico: oro desnudo (A), oro manosilado (B),

Au/Os-Con A (C), Au/Os-Con A/HRP (D), Au/Os-Con A/HRP/Con A (E), Au/Os-Con A/HRP/Con A/GOx (F).

Resulta claro en las imágenes que el ensamblado consecutivo de proteínas provoca

cambios en la topografía del bioconjugado. En la primera capa del ensamblado la superficie se

A B C

D E F

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1. Caracterización de un biosensor amperométrico-enzimático basado en reconocimiento molecular

94

asemeja a la del oro desnudo, indicando que la adsorción de la manosa sigue la topografía del

oro, a nivel prácticamente atómico. Sin embargo, con el ensamblado de Con A y HRP la

topografía se nivela. Esto se evidencia también en la densidad de potencia espectral (Figura

1.4), en la que puede verse que la frecuencia espacial predominante del sustrato de oro

(relacionada al tamaño de los granos) se pierde en la primera capa proteica (Os-Con A).

Figura 1.4 Densidad de potencia espectral (PSD) de las imágenes de AFM, después de emplear un filtro pasa

altos. De arriba hacia abajo, desde el oro desnudo, cisteína-manosa, Os-Con A, HRP, Con A, GOx. En la primer

capa se mantiene la frecuencia espacial predominante del oro (de alrededor de 40 nm), mientras que a partir de la

primer capa de Con A las características del espectro cambian.

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1. Caracterización de un biosensor amperométrico-enzimático basado en reconocimiento molecular

95

Exploramos también la hipótesis del uso de dextrano como bloque estructural

registrando mediante AFM in situ la topografía de un ensamblado multicapas intercalando la

capa de dextrano. En la Figura 1.5 presento las imágenes de las superficies de los

ensamblados a partir de la capa de dextrano: Os-Con A/HRP/dextrano, Os-Con

A/HRP/dextrano/Con A y Os-Con A/HRP/dextrano/Con A/GOx.

Figura 1.5 Imágenes de AFM en 3 dimensiones (1 x 1 µm2, rotación: 45°) y secciones tomadas en la

zona central de cada una, tomadas in situ en los capas del ensamblado multiproteico a partir de una

capa de dextrano: Au/Os-Con A/HRP/dextrano (A), Au/Os-Con A/HRP/dextrano/Con A (B), Au/Os-

Con A/HRP/dextrano/Con A/GOx (C).

Las imágenes topográficas del ensamblado biosupramolecular revelan también

cambios en la rugosidad durante el crecimiento de las capas. Así como la PSD presentó

cambios a partir de la primera capa proteica, la adición secuencial de Os-Con A y HRP se vio

también reflejada como una disminución en la rugosidad (RMS) del film (Tabla 1.1).

Es interesante notar además las diferencias en la segunda capa de Con A en films en

los que se intercaló el bloque estructural de dextrano. La primera, una proteína globular de

104 kDa, promueve un incremento en la rugosidad de la superficie; mientras que la adición de

dextrano, un polímero ramificado, no produce cambios apreciables. Este comportamiento

puede ser entendido considerando al dextrano como un componente de arquitectura

polimérica flexible que puede llenar los espacios libres que deja la peroxidasa. Trabajos

recientes de Venturoli y Rippe5 basados en un análisis comparativo entre dextrano y proteínas

globulares revelaron que, mientras las proteínas globulares parecen comportarse de manera

similar a esferas rígidas hidratadas, el dextrano se comporta como una hebra flexible. Las

mediciones de AFM in situ refuerzan la hipótesis de que la intercalación de dextrano optimiza

A B C

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1. Caracterización de un biosensor amperométrico-enzimático basado en reconocimiento molecular

96

las características estructurales del complejo biosupramolecular. El ensamblado de dextrano

en sitios de reconocimiento expuestos de la bicapa inicial de Os-Con A/HRP llevaría

entonces, no sólo a una capa posterior de Con A más compacta y homogénea sino que

también facilitaría el llenado de los espacios propios de la bicapa Os-Con A/HRP. Como

resultado, la presencia de una intercapa de dextrano impide físicamente la comunicación

electrónica entre los centros redox y los sitios de FAD en la proteína GOx, sin dejar de ser

una barrera permeable que posibilita la difusión libre de H2O2 a las capas iniciales de Os-Con

A/HRP.

Capa

Rugosidad [nm]

superficie de Au evaporado 2.8 ± 0.1

electrodo de Au manosilado 2.9 ± 0.1

Au/Os-Con A 2.5 ± 0.1

Au/Os-Con A/ HRP 2.0 ± 0.1

Au/Os-Con A/HRP/Con A 2.5 ± 0.3

Au/Os-Con A/HRP/Con A/GOx 3.9 ± 1.4

Au/Os-Con A/HRP/dextrano 2.0 ± 0.7

Au/Os-Con A/HRP/dextrano/Con A 2.2 ± 1.0

Au/Os-Con A/HRP/dextrano/Con A/GOx. 3.4 ± 1.0

Tabla 1.1. Valores de la rugosidad (RMS) de capas proteicas ensambladas sobre un electrodo de oro

por AFM.

1.4 Conclusiones

En este experimento se estudió un biosensor de glucosa construido mediante el

ensamblado capa-por-capa de glicoenzimas sobre un electrodo de oro, ensamblado basado en

el reconocimiento molecular. El diseño de esta arquitectura interfacial multiproteica está

basado en las interacciones supramoleculares multivalentes carbohidratos-lectinas entre

glicoproteínas redox y derivados de la proteína Concanavalina A (Con A). Específicamente,

se utilizaron Con A nativa o marcada con el complejo [Os(bpy)2Clpy]2+ (Os-Con A) para

dirigir el ensamblado de la peroxidasa del rábano (HRP) y de la glucosa oxidasa (GOx), en un

proceso topológicamente controlado. En esta configuración, la GOx es el elemento de

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1. Caracterización de un biosensor amperométrico-enzimático basado en reconocimiento molecular

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bioreconocimiento al estímulo de glucosa, mientras que la HRP es el elemento transductor de

la señal.

Mediante Microscopía de Fuerza Atómica se estudió la topografía de la superficie de

cada capa del ensamblado, calculando su rugosidad (RMS) y haciendo un análisis espectral

(densidad de potencia espectral). A través de estos estudios pudimos inferir que la

incorporación de una capa de dextrano luego de la primera capa de Os-ConA/HRP produce

films menos rugosos, lo que implica un mejor cubrimiento de las capas posteriores. Esto

concuerda con los resultados previos obtenidos por microbalanza de cuarzo con disipación y

técnicas de electroquímica.

Estos resultados demuestran que la AFM es una herramienta versátil, que permite

caracterizar un sistema en condiciones fisiológicas. A través del estudio de la topografía y el

análisis espectral y de la rugosidad de cada capa, se obtuvo información sobre el

funcionamiento general de un biosensor y las interacciones biomoleculares entre las proteínas

que se ensamblaron cada a capa.

1.5 Referencias

1 Willner, I.; Rubin, S.; Cohen, Y. J. Am. Chem. Soc. 115: 4937 (1993). 2 Pallarola D., von Bildering C., Pietrasanta L. I., Queralto N., Knoll W., Battaglini F. and Azzaroni

O., Phys Chem Chem Phys, 14: 11027 (2012). 3 Corton, E.; Battaglini, F.; J. Electroanal. Chem., 511: 8 (2001); Maidan, R.; Heller, A. Anal.Chem.

64: 2889 (1992);) Ohara, T.J.; Vreeke, M.S., Battaglini, F.; Heller, A.; Electroanalysis, 5: 825

(1993). 4 Goldstein, I.J.; Hollerman, C.E.; Merrick, J.M., Biochim. Biophys. Acta, 97: 68 (1965); Ballerstadt,

R.; Schultz, J.S., Sensors Actuators B, 46: 50 (1998); Yin, R.; Han, J.; Zhang, J. ; Nie, J., Colloids

Surf. B: Biointerfaces 76: 483 (2010). 5 Venturoli, D.; Rippe, B., Am J Physiol Renal Physiol 288: F605 (2005).

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Capítulo 2

Medición de fuerzas de interacción moleculares

mediante Microscopía de Fuerza Atómica

Dada su sensibilidad tanto en la localización (nm) como en la medición de fuerzas (pN),

el Microscopio de Fuerza Atómica resulta una herramienta muy poderosa para estudiar

las fuerzas y la dinámica de las interacciones entre ligandos y receptores individuales,

ya sea de moléculas aisladas o en la superficie de una célula. La Microscopía de

Reconocimiento Molecular permite medir fuerzas específicas de interacción entre

ligandos y receptores a nivel de moléculas individuales. Durante mi trabajo de Tesis,

puse a punto la técnica con sistemas ya estudiados en la literatura con el objetivo final

de medir la interacción entre el receptor de integrina y su ligando, la fibronectina,

relacionados con el proceso de mecanotransducción celular. En este capítulo presento

los resultados que permitieron validar la medición de fuerzas de interacción moleculares

utilizando el Microscopio de Fuerza Atómica. Se estudiaron las fuerzas de interacción

entre grupos funcionales químicos y entre el par ligando receptor biotina-estreptavidina,

sistemas muy bien caracterizados en la literatura. Se caracterizó en células vivas la

interacción RGD-integrina.

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

101

2.1 Introducción

Los estudios de reconocimiento molecular buscan entender las interacciones

específicas entre receptores y sus respectivos ligandos. Aunque en la actualidad se

conocen en general la estructura y función de los complejos ligando-receptor, todavía

no es posible predecir la cinética de la reacción o su correspondiente energía para todos

los complejos. Es necesario obtener información adicional, en particular sobre la

dinámica molecular (MD) del complejo durante los procesos de asociación y

disociación. El objetivo final es el de sensar el paisaje energético relativo a la

interacción entre las moléculas, cuya estructura se conoce con resolución atómica.

Los complejos ligando-receptor se forman en general por algunas pocas uniones

débiles no covalentes entre grupos químicos en contacto en determinadas regiones

complementarias de ambas moléculas, provistas por un entorno de residuos que proveen

un andamiaje estructuralmente conservado. Tanto estas regiones complementarias como

el entorno poseen una considerable plasticidad y flexibilidad, permitiendo movimientos

conformacionales durante la asociación y disociación. Además de la información sobre

la estructura, la energía y las constantes cinéticas, para entender el proceso de

reconocimiento se requiere también un entendimiento de estos movimientos. Un

profundo conocimiento de la naturaleza de estos movimientos, así como de la acción

espacio-temporal de muchas interacciones débiles, en particular la cooperatividad de la

formación de uniones, es la clave para entender el reconocimiento molecular entre

ligandos y receptores. Para ello, se requieren experimentos a nivel de moléculas

individuales, en las escalas de tiempo típicas de la formación y disociación de los

complejos. El potencial del AFM para medir fuerzas muy pequeñas con una alta

resolución lateral ha abierto la posibilidad de desarrollar una microscopía de fuerzas de

reconocimiento de moléculas individuales1.

La medición de fuerzas de interacción entre moléculas mediante AFM, como se

mencionó en la sección II.1, requiere no sólo de la modificación química de los sensores

de fuerza con el ligando de interés sino también de una muestra donde el receptor esté

unido al sustrato de manera que al realizar el ciclo de acercamiento-retracción se rompa

primero la unión molecular que se desea sensar. Si bien el Centro de Microscopías

Avanzadas es pionero en el país en la utilización de la Microscopía de Fuerza Atómica

para el estudio de las propiedades estructurales y funcionales de moléculas

individuales2, complejos de ADN y proteínas3 y biomateriales4, no se habían realizado

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

102

hasta esta Tesis mediciones de fuerzas de interacción, por lo que la técnica se puso a

punto utilizando sistemas ya caracterizados en la literatura.

Dado que este tipo de mediciones involucra una cantidad de pasos, tanto de

modificación del sustrato como de la punta sensora5, se comenzó estudiando la fuerza

de interacción entre grupos químicos utilizando la estrategia de modificación más

sencilla tanto para la punta como para los sustratos: el sistema oro-alcanotioles. Luego

se validó la medición de interacciones ligando-receptor a nivel de moléculas

individuales mediante el sistema modelo biotina-estreptavidina. Por último se estudió la

interacción fibronectina-integrina en células vivas modificando el sensor de fuerza con

el tripéptido RGD unido a una cisteína (cuyo terminal tiol se une al sensor recubierto de

oro). En las siguientes secciones describo los resultados obtenidos para los tres

sistemas.

2.2 Microscopía de Reconocimiento Químico: interacciones CH3-CH3 y COOH-

COOH

2.2.1 Antecedentes

A partir de la creación del Microscopio de Fuerza Atómica a finales de los '806,

no tardaron en realizarse las primeras mediciones de fuerzas de interacción moleculares.

Los primeros sistemas estudiados fueron grupos funcionales químicos7, siendo el grupo

del Dr. Lieber el pionero en este tipo de mediciones8. Se estudiaron a partir de los

primeros trabajos interacciones entre diversos grupos funcionales químicos, obteniendo

fuerzas de adhesión entre puntas puntas y sustratos funcionalizados con monocapas

autoensambladas (SAMs) de tioles terminados en los grupos funcionales CF3, CH3,

OCH3, CH2Br, OH, COOH, COCH3, CONH2 y NH2, tanto en solventes orgánicos9

como acuosos10 e incluso en una atmósfera de gas inerte11. En la tabla III.2 se presenta

un resumen de las fuerzas de interacción obtenidas en medios líquidos, donde se

observa que las interacciones son del orden de algunos nN.

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

103

Tabla 2.1. Resumen de las fuerzas de interacción entre grupos químicos. Tomado de 8

2.2.2 Modificación de sensores de fuerza y sustratos mediante alcanotioles

Para validar la medición de interacciones entre grupos funcionales químicos,

utilizamos como estrategia SAMs de alcanotioles en sustratos de oro y en las puntas

sensoras recubiertas de oro. Los tioles utilizados fueron dodecanotiol (DODE) en cuyo

extremo libre tiene un grupo metilo, y ácido 11-mercaptoundecanoico (MUA) cuyo

extremo libre cuenta con el grupo funcional carboxilo, dado que las interacciones

metilo-metilo y carboxilo-carboxilo están muy bien caracterizadas en la literatura9. En

la Figura 2.1 se presenta la fórmula química de ambas moléculas.

Como sustrato se utilizaron muestras comerciales de oro Robax (sustratos de

vidrio con una capa evaporada de cromo y otra sucesiva de oro). Como sensores de

fuerza se utilizó el modelo biolevers (Asylum Research, Santa Barbara, EEUU),

especialmente diseñados para este tipo de mediciones dada su baja constante elástica

(del orden de 0.0003 N/m) y su recubrimiento de oro en la parte posterior (es decir, en

la punta). Se utilizaron también sensores NP (Bruker, Santa Barbara, EEUU) de

constante elástica de aproximadamente 0.003 N/m, recubiertos con una capa de oro por

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

104

sputtering durante 50 segundos (utilizando la máquina de sputtering Kurt J. Lester 108,

sala de muestras del Departamento de Física-FCEN-UBA).

Dodecanotiol

Ácido 11-mercaptoundecanoico

Figura 2.1. Fórmula química de los alcanotioles utilizados para Microscopía de Reconocimiento

Químico. A. Dodecanotiol (DODE), es una cadena de doce carbonos que, además del grupo terminal tiol

(SH), en su otro extremo tiene un grupo funcional metilo (CH3). B. Ácido 11-mercaptoundecanoico

(MUA), tiene 11 carbonos, el extremo tiol (SH) y un grupo carboxilo en su otro terminal (COOH).

La modificación tanto de los sustratos como de las puntas se realizó por

inmersión durante 18 hs en una solución 1mM de cada uno de los tioles en etanol

(EtOH). Una vez pasado el tiempo de incubación, se les realizaron 5 enjuagues con

EtOH y se secaron con nitrógeno.

Las constantes elásticas de los sensores de fuerza fueron calibradas

inmediatamente antes de su modificación, asumiendo que no se producen cambios en la

misma luego de la modificación con la monocapa autoensamblada. En el caso de los

sensores que fueron recubiertos con oro para su funcionalización, la calibración se

realizó posteriormente a su recubrimiento y antes de la inmersión en la solución de

alcanotioles.

2.2.3 Visualización de patrones por fricción

Para analizar el ensamblado de las monocapas de tioles se realizaron, mediante

dos diferentes metodologías, patrones que fueron caracterizados por microscopía de

fuerza atómica. En la Figura 2.2 se presenta un esquema de las dos estrategias usadas

para generar patrones de tioles en oro: litografía por luz UV y litografía por haz de

electrones (EBL).

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

105

Figura 2.2. Esquemas de fabricación de patrones de monocapas autoensambladas de tioles. A.

Litografía por luz UV a través de una grilla TEM. B. Litografía por haz de electrones (EBL).

La primera estrategia consistió en una litografía con luz UV a través de una

grilla con estructuras hexagonales (grillas utilizadas para Microscopía Electrónica de

Transmisión)*. La luz UV desprendería los tioles de la superficie, por lo que quedaría

un patrón de tioles donde la muestra no fue expuesta a la radiación UV. En la Figura

2.3 presento imágenes de AFM en modo contacto, con la punta modificada con DODE

del patrón hexagonal de DODE sobre oro, realizado mediante litografía UV.

Figura 2.3. Patrones litografía UV. Imágenes de AFM en modo contacto, con punta modificada con

DODE, de altura (izquierda, rango 0-60 nm) y fricción (derecha, unidades arbitrarias) de patrón

hexagonal de DODE sobre oro, realizado mediante iluminación UV a través de una grilla TEM.

* Las muestras por litografía óptica fueron realizadas por la Dra. Cecilia dos

Santos Claro como parte de una colaboración con la Dra. María Elena Vela (INIFTA,

La Plata).

Au

Monocapa de alcanotioles

autoensamblados (SAM)

Radiación UV

Au

EBL SAM

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

106

En este caso la estructura del patrón puede verse en la imagen de fricción (o

deflexión lateral), lo cual indica que hay una interacción entra la punta y la muestra que

no es sensada en la topografía.

La segunda estrategia fue la litografía por haz de electrones, utilizando un

microscopio electrónico de barrido por emisión de campo (Carl Zeiss, modelo

SUPRA40 y sistema generador de patrones NPGS) del CMA†. La ventaja de esta

litografía respecto de la litografía óptica es que pueden realizarse patrones con

estructuras de tamaños del orden de los nanómetros. En este caso se dibujó un patrón

con estructuras geométricas de algunos micrones sobre un sustrato de oro modificado

con MUA. En las imágenes AFM (Figura 2.4) puede verse que en esta muestra se logra

ver la estructura en la topografía, además del contraste esperado en la señal de fricción.

Figura 2.4 Patrones EBL. Imágenes de AFM en contacto, punta modificada con MUA, correspondientes

a altura (izquierda, rango 0-30 nm) y fricción (derecha, unidades arbitrarias) de patrón de MUA sobre oro,

realizado mediante litografía electrónica.

2.2.4 Fuerzas de interacción

Utilizando las puntas y sustratos modificados con las monocapas

autoensambladas de DODE y MUA, caracterizamos entonces las fuerzas de interacción

entre los grupos funcionales metilo-metilo y carboxilo-carboxilo. Se realizaron cientos

de curvas de fuerza para cada sistema, y se obtuvo una distribución de fuerzas cuyo

† Las litografías por haz de electrones fueron realizadas por la Dra. Claudia

Marchi, en el Centro de Microscopías Avanzadas.

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

107

valor medio se encuentra en los valores reportados en la literatura para estos sistemas en

la solución utilizada (50% H2O, 50% EtOH). El estudio se realizó tanto con los sensores

de fuerza comerciales ya recubiertos de oro (biolevers), como con los sensores

tradicionales de nitruro de silicio (NP) recubiertos con oro por sputtering, obteniendo

resultados similares en ambos casos.

En la Figura 2.5 muestro algunas de las curvas de fuerza obtenidas y la

estadística para la interacción CH3-CH3 (DODE-DODE), con los dos tipos de sensores

utilizados. Se realizó además el control con el sensor modificado pero sobre un sustrato

de oro desnudo, observándose un valor medio de interacción diferente, debido a la

adhesión inespecífica entre la punta y el sustrato.

Figura 2.5. Interacción metilo-metilo. A. Curva de fuerza típica de la interacción metilo-metilo, medida

con sensor de fuerza y sustrato modificados con dodecanotiol (DODE). B. Histograma de fuerzas de

interacción DODE-DODE (en solución 50 % H20 y 50% EtOH, velocidad de la punta sensora 300

nm/seg) medida con un sensor de fuerza NP (Bruker) recubierto de oro por sputtering (constante elástica

k = 0.036 ± 0.006 N/m). C,D. Histogramas de fuerzas de interacción entre un sensor de fuerza biolever

(Asylum Research, constante elástica k = 0.0031 ± 0.0003 N/m) modificado con DODE y un sustrato

modificado con el mismo tiol (C) o un sustrato de oro desnudo (d), ambas medidas en solución 50 % H2O

y 50% EtOH, velocidad de retracción de 300 nm/seg. En todos los histogramas se presenta el valor medio

de la fuerza de interacción y su desviación estándar.

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.00

20

40

60

80

DODE (biolever)F = (2.81 ±0.08) nN

Cue

ntas

Fuerza (nN)

1.5 2.0 2.5 3.0 3.50

20

40

60

80

100DODE (np tip)F = (2.79 ± 0.44) nN

Cue

ntas

Fuerza (nN)

0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

20

40

60

80

100

Au (biolever)F = (0.58 ±0.04) nN

Cue

ntas

Fuerza (nN)

0 200 400 600 800 1000-4

-3

-2

-1

0

1

Fue

rza

(nN

)

extension (nm)

A B

C D

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

108

En la Figura 2.6 presento la comparación entre las fuerzas de interacción

metilo-metilo y carboxilo-carboxilo. Los valores medios de fuerzas de interacción

obtenidos fueron (2.81 ± 0.08 nN) para metilo-metilo y (0.28 ± 0.06) nN para carboxilo-

carboxilo en estas condiciones. Para los sensores NP se obtuvieron resultados similares.

Teniendo en cuenta el solvente en el que fueron realizadas las mediciones (50% H2O,

50% EtOH) la fuerza característica obtenida para estas interacciones está en el orden de

las informadas en la literatura6-8.

Figura 2.6 Interacción entre grupos funcionales químicos. a Histograma de fuerzas de interacción

CH3-CH3 (A, DODE-DODE) y COOH-COOH (B, MUA-MUA). Medidos con sensores de fuerza

biolevers, en solución 50 % H20 y 50% EtOH, velocidad de retracción de 300 nm/seg. Se muestra en

ambos casos el esquema de modificación química punta sensora-sustrato.

2.3 Microscopía de Reconocimiento Molecular: interacción del complejo biotina-

estreptavidina

2.3.1 Antecedentes

El sistema biotina-avidina es reconocido como el modelo por excelencia de

ligando-receptor dada su altísima afinidad (KD = 10-13

M) y su largo tiempo de vida de

unión (�(0) = 80 días). Es por eso que no es sorprendente que las primeras mediciones

de reconocimiento molecular a nivel de moléculas individuales se hayan realizado con

biotina y sus ligandos estreptavidina (StA, proveniente de Streptomyces Avidinii) y

avidina (presente en la clara del huevo). En el año 1994 se publicaron los primeros

trabajos realizados por el grupo del Dr. Gaub12 en los que, no obstante los métodos para

modificar la punta sensora y el sustrato eran muy sencillos, ya se podían detectar las

interacciones de moléculas individuales, y se empezaba a obtener información acerca de

A B

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.00

20

40

60

80DODE-DODEF

max = 2.81 ±0.08 nN

cuen

tas

Fuerza (nN)0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0

10

20

30

40

cuen

tas

Fuerza (nN)

MUA-MUAF=0.28 ± 0.06 nN

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

109

la cinética y el paisaje energético de la interacción de los complejos al nivel de la que se

obtiene actualmente. En todos estos años de desarrollo de la MRM, en lo que más se ha

puesto énfasis es en las metodologías para modificar la punta, de manera de aumentar la

probabilidad de interacción entre ligando y receptor en un ciclo de fuerza. En este

sentido, en los comienzos se modificaba la punta directamente con las moléculas, y para

aumentar la probabilidad de que se produzca la unión del complejo se utilizaba como

sustrato una perla de agarosa a la que se unían los receptores. La geometría y elasticidad

de la perla hacían que fuera más probable la unión. En la Figura 2.7.A se muestra el

esquema de este tipo de sistemas. Actualmente el aumento en la probabilidad de que se

produzca la interacción ligando receptor se logra modificando las puntas a través de

espaciadores flexibles (Figura 2.7.B), como se mencionó en la sección II.1.6. Más allá

de algunas características que ya suelen ser comunes, como el uso de espaciadores, el

sistema biotina-estreptavidina sigue siendo el modelo utilizado para probar cualquier

cambio sugerido en las estrategias de los experimentos de MRM. Es por eso de esencial

interés caracterizarlo, y en el caso particular de este trabajo de Tesis fue utilizado para

validar la medición de fuerzas de interacción ligando-receptor con el microscopio de

fuerza atómica disponible en el laboratorio.

En la Figura 2.7.C se muestran los histogramas de fuerzas de interacción entre

biotina-estreptavidina medida a diferentes tasas de carga. Puede verse que la fuerza de

media de ruptura aumenta con la tasa de carga, estando los valores característicos

obtenidos en un rango entre 100 y 200 pN.

Figura 2.7 Antecedentes en el estudio de la interacción biotina-estreptavidina. A,B Esquemas de

modificación de sensores de fuerza: estrategia de los trabajos pioneros del grupo del Dr. Gaub (A) y

estrategias de modificación actuales (B). C. Histogramas de fuerzas de interacción biotina-estreptavidina

para diferentes tasas de carga. Adaptados de la referencia1.

A B C

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

110

2.3.2 Modificación de sensores de fuerza y sustratos

Para medir la interacción entre estas moléculas, la punta del sensor de fuerza de

Si3N4 está funcionalizada con biotina, y se garantiza la máxima libertad de movimiento

posible del ligando (i.e. mayor probabilidad de interacción) si la funcionalización es a

través del adaptador flexible PEG13 (polietilenglicol). El sensor de fuerza modificado

utilizado en estos experimentos es comercial (NovaScan Techonologies, Ames, EEUU).

Para poder medir con precisión la fuerza de interacción entre las moléculas es

necesario que la StA esté unida al sustrato de tal forma que la interacción con el mismo

sea mayor a la interacción a medir. Además, debe estar orientada de manera de exponer

el sitio de unión para el ligando. En estos experimentos usamos como sustrato oro

Robax comercial, y para unir la StA seguimos dos estrategias:

1. Incubar el sustrato de oro 18 hs en solución de 1:9 de 11-mercapto-1-

undecanol (Sigma-Aldrich) y tiol biotinilado 14, enjuagar y secar con nitrógeno.

Incubar 1 h. en solución de StA.

2. Incubar el sustrato de oro 18 hs en solución de tiol DTSP (ácido 3,3�-

ditiodipropiónico di(N-hidroxisuccinimidil éster), de Sigma-Aldrich), enjuagar y

secar con nitrógeno. Incubar 1 h. en solución de StA.

Figura 2.8 Sistema biotina-estreptavidina: sustratos. A Esquema de modificación del sustrato con StA

mediada por una proporción 1:9 de tiol biotinilado y mercapto-undecanol. B Esquema de modificación

del sustrato con StA mediada por DTSP. Adaptadas de 11.

A B

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

111

En la Fig. 2.8 muestro un esquema de la funcionalización de sustratos mediante

estas dos estrategias. La primera fue realizada siguiendo exactamente el protocolo del

Dr. Azzaroni15 mientras que la segunda es una adaptación de la estrategia utilizada por

Casero et al. para modificar sustratos de oro con otra proteína (la lactato oxidasa)15.

2.3.3 Fuerzas de interacción

Utilizando los sensores de fuerza biotinilados a través de PEG (Novascan) y

sustratos de oro modificados con estreptavidina a través de dos tipos de tioles - tiol

biotinilado y DTSP- medimos entonces la interacción entre las moléculas biotina y

estreptavidina en el AFM en el modo de contacto en solución. En la Figura 2.9 A

presento curvas de fuerza características de eventos de interacción, obtenidas en

muestras modificadas a través del tiol DTSP. Se puede ver que las curvas en los valores

de posición anteriores a la ruptura (indicado con flechas) presentan la forma

característica del estiramiento del adaptador flexible PEG.

Figura 2.9. Interacción biotina-estreptavidina. A. Curvas de fuerza (se muestra sólo la parte de

retracción, y las curvas están corridas para su mejor visualización). B. Histograma de fuerzas obtenido de

la interacción biotina-StA obtenida sobre sustrato de oro modificado con StA a través de tiol biotinilado.

c. Histograma de fuerzas para la interacción biotina-StA obtenidas sobre sustrato de oro modificado con

StA mediante el tio DTSP. Se indica el error estándar y la desviación (SD) de cada uno de los valores

característicos de fuerza encontrados.

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

cuen

tas

Fuerza (pN)

tiol biotiniladoF

max= (172 ± 2) pN

SD = 79 pN

0 100 200 300 400 5000

50

100

150

cuen

tas

Fuerza (pN)

tiol DTSP F

max= (152 ± 2) pN

SD = 70 pN

50 100 150 200 250 300-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

Fue

rza

(nN

)

Extension (nm)

A B

C

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

112

En la Figura 2.9 B y C muestro los histogramas de fuerza obtenidos para la

interacción biotina-StA mediante las dos estrategias de funcionalización de los

sustratos, medidos con sensores de constante elástica del orden de 0.05 N/m y a una

velocidad de retracción de 1µm/s. Las mediciones se realizaron en buffer PBS. Los

valores obtenidos concuerdan con los informados en la literatura a esta velocidad de

retracción, y demuestran que podemos medir interacciones del orden de los pN.

2.4 Interacción RGD-integrina

2.4.1 Antecedentes en el estudio de la interacción fibronectina-integrina

Aún después de todos estos años de desarrollo de la microscopía de

reconocimiento, todavía hay muy pocos trabajos en los que se aplica la microscopía de

reconocimiento molecular en células vivas. Sin embargo, el sistema fibronectina-

integrina fue uno de los primeros estudiados. En uno de los trabajos pioneros de la

técnica, Lehenkari y colaboradores16 , estudiaron las fuerzas de interacción entre los

receptores de integrina en osteoclastos y diversos ligandos que involucraban tres

residuos aminoacídicos, arginina-glicina-ácido aspártico (RGD), el sitio de unión a

integrina (Figura 2.10 B) En otro de los primeros estudios, Chen y colaboradores17

usaron AFM para medir la interacción entre Concanavalina A (Con A) unida a la punta

de un sensor de fuerza y receptores de Con A en la membrana de fibroblastos NIH3T3

(Figura 2.10 A).

La dificultad de este tipo de ensayos en células vivas radica en que al realizar un

ciclo de fuerza, la punta sensora indenta la célula, produciendo curvas no lineales con

una mayor dificultad en la interpretación. En general los trabajos que miden

interacciones en células estudian sistemas antígeno-anticuerpo18, de fuerzas de

interacción de mayor magnitud, que inclusive pueden sensarse en células fijadas

químicamente 19. El grupo del Dr. Dufrêne, también pionero en la MRM, ha publicado

recientemente varios trabajos de reconocimiento en bacterias20, cuyas propiedades

elásticas hacen más sencilla la interpretación de las curvas de fuerza.

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

113

Figura 2.10. Antecedentes de interacciones moleculares en células. A Curvas de fuerza obtenidas

mediante una punta modificada con Con A en células NIH3T3 vivas (1) o fijadas químicamente con

glutaraldehído (2) o DTSSP (3), o fijadas y tratadas con α-D-Manopiranósido para bloquear la

interacción (4). B Curva de fuerza característica para un sensor de fuerza modificado con GRGDSP

(conteniendo el sitio RGD) en osteoclastos, y distribución de fuerzas obtenida para un anticuerpo anti -

integrina �3 sobre las mismas células. Tomados de 13 y 14.

En cuanto a la interacción RGD-integrina, los resultados tempranos de

Lehenkari14, utilizando varias secuencias de aminoácidos conteniendo al sitio RGD y

distintas líneas celulares (osteoblastos y osteoclastos), indicaron que la interacción era

sensible al tipo celular y a la secuencia utilizada. Por ejemplo, encontraron que en

osteoclastos la fuerza de interacción característica con una punta sensora modificada

con GRGDSP fue de (42 ± 4) pN. En osteoblastos la interacción media resultó de (32 ±

2) pN mientras que para un anticuerpo específico anti - integrina �3 la fuerza es mayor:

(127 ± 16) pN.

En otro trabajo del grupo de V. Moy21, se caracterizó la interacción integrina

�5�1 -fibronectina mediante Single Cell Force Microscopy (SCFM). Para ello unieron al

sensor de fuerza células de la línea K562, que expresan únicamente integrinas del tipo

�5�1. Realizaron curvas de fuerza con estos sensores sobre cubreobjetos modificados

con distintos fragmentos de fibronectina, obteniendo fuerzas características de entre 40

y 100 pN.

Hay otro trabajo del año 2005 en el que se estudió la interacción fibronectina-

integrina en células musculares lisas de los vasos sanguíneos22 (VSMC). En este último

1

2

3

4

A B

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

114

se modificaron los sensores de fuerza con la proteína fibronectina completa, y se obtuvo

una fuerza de interacción con las células de (39 ± 8) pN. Mediante el análisis de la

probabilidad de interacción (la probabilidad de medir un evento de ruptura en una curva

de fuerza) ante el bloqueo con anticuerpos específicos para los distintos tipos de

integrinas, se concluyó que la interacción se da entre la fibronectina y las integrinas tipo

�5�1.

2.4.2 Preparación de células y funcionalización de los sensores de fuerza

Los experimentos de reconocimiento molecular entre fibronectina e integrina se

realizaron en células epiteliales mamarias de ratón, de la línea HC11. Para estos

experimentos, las células fueron cultivadas sobre cubreobjetos de 12 mm recubiertos

con fibronectina (5µg/ml) para aumentar la unión de las células al sustrato. En la Figura

2.11 presento un esquema del experimento en donde se representa el cubreobjetos de

muestra donde crecen las células. Las curvas de fuerza características sobre estas

células, presentan una gran diferencia en la forma respecto de las curvas obtenidas en

vidrio, debida a la indentación de la célula.

0 200 400 600

0.0

0.1

0.2

0.3

Fue

rza

(nN

)

Extension (nm)

0 200 400 600

0

2

4

6

Fue

rza

(nN

)

Extension (nm)

muestra

Figura 2.11. Esquema del experimento: curvas de fuerza características. En función del lugar de la

muestra de células en el que se haga la curva de fuerza, los ciclos de acercamiento (negro) y retracción

(rojo) tienen formas diferentes: mientras que sobre un sustrato rígido la deformación es lineal, sobre una

célula presenta la indentación característica.

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

115

Para este tipo de experimentos se calibra la sensibilidad del detector (i.e. la

deflexión del cantilever en nm respecto del voltaje medido) utilizando curvas de fuerza

en un sustrato rígido en el que la relación voltaje-deflexión es lineal. Esto se realiza o

bien en una zona de la muestra sin células, o en las mimas condiciones de alineación

sobre un sustrato rígido (generalmente una muestra de mica desnuda)

Se utilizaron sensores de fuerza OTR400-PG (Asylum Research, Santa Barbara,

EEUU), cuya punta tiene un recubrimiento de oro por fabricación. Los sensores se

modificaron con el péptido cíclico Arg-Gly-Asp-d-Phe-Cys (c(RGDfC), Peptides

International Inc., Louisville, EEUU), que contiene al sitio de unión a integrina RGD en

una disposición cíclica que favorece la interacción con el receptor integrina23. Dicho

péptido tiene además una cisteína, cuyo grupo tiol se une covalentemente al oro de la

punta sensora, como se esquematiza en la Figura 2.12.

Figura 2.12. Modificación de sensores de fuerza con RGD. Se utilizaron sensores de fuerza OTR400-

PG, cuya punta tiene un recubrimiento de oro. Los sensores se modificaron con RGD cíclico unido a una

cisteína, cuyo grupo tiol (círculo rojo) se une covalentemente al oro.

2.4.3 Fuerzas de interacción RGD-integrina en células vivas

Con la estrategia descripta en la sección anterior, se realizaron mediciones de

fuerza sobre células de la línea HC11 utilizando un sensor de fuerza modificado con

c(RGDfC).

punta AFM

Au

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

116

En el conjunto de curvas de fuerza obtenido, algunas curvas presentan eventos

de ruptura, los cuales fueron cuantificados en fuerza. En la Figura 2.13 A se ven

algunas de las curvas obtenidas, indicando los eventos de ruptura. En algunas curvas se

observaron hasta dos eventos. El análisis de la anatomía de la curva de retracción puede

ser usado para discriminar si estamos trabajando sobre la superficie de una célula o

sobre la superficie del vidrio. Como observamos en la figura, la presencia de

indentación nos asegura que estamos midiendo sobre una célula. El recuadro en la

figura muestra curvas representativas utilizando un sensor de fuerza no funcional, en las

que puede verse que no se presentan eventos de interacción.

Figura 2.13. Análisis de la interacción RGD-integrina en células vivas. A Curvas de fuerza obtenidas

con punta sensora modificada con el tripéptido RGD sobre células HC11 (se muestra sólo la parte de

retracción). Las flechas indican los eventos de ruptura. En el recuadro se presentan curvas sobre células

con una punta no funcional. B Histograma de fuerzas características, obtenido de 66 eventos en un total

de 300 curvas analizadas, sobre dos células de cultivos diferentes. La curva roja representa el ajuste con

una distribución gaussiana, cuyo valor característico resultó de (37.6 ± 0.7) pN, con un sigma de (17± 1)

pN.

Se realizó un análisis de un total de 300 curvas obtenidas en dos células de

cultivos diferentes, obteniendo un total de 66 eventos de ruptura. Las curvas fueron

realizadas a una velocidad de 1µm/seg (lo que correspondió a una tasa de carga de

aproximadamente 20 nN/seg). El valor de fuerza medio resultó de (45 ± 3) pN, con una

desviación estándar de 23 pN. Este valor de fuerza obtenido da cuenta de que las

100 nm

50 pN

50 pN

100 nm

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

5

10

15

20

25cu

enta

s

Fuerza (pN)

A B

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

117

interacciones registradas son al nivel de moléculas individuales. Dado que se vieron

algunos valores de interacción más altos (posiblemente debidos a la ruptura de más de

un complejo), el histograma se ajustó con una función gaussiana, dando el ajuste un

valor central de la gaussiana de (37.6 ± 0.7) pN, con una desviación de (17± 1) pN.

Tanto el histograma como el ajuste se muestran en la Figura 2.13 B.

2.5 Conclusiones

Los resultados presentados en este capítulo muestran la evolución de este

trabajo de Tesis en cuanto a la medición de fuerzas de interacción moleculares mediante

Microscopía de Fuerza Atómica, desde un sistema sencillo como grupos funcionales

químicos hasta una célula viva. Dicha evolución también llevó aparejada el diseño de

estrategias para la modificación química de los sensores de fuerza.

Se midieron fuerzas de interacción entre los grupos funcionales químicos

metilo-metilo y carboxilo-carboxilo, obteniendo los valores de fuerzas esperados. Se

logró cuantificar también la interacción entre el par ligando-receptor biotina-

estreptavidina, a nivel de moléculas individuales y utilizando diferentes estrategias de

modificación de sustratos.

Por último, se caracterizó la interacción RGD-integrina en células HC11 vivas,

obteniendo un valor característico de (37.6 ± 0.7) pN para la ruptura de un complejo a

nivel de moléculas únicas.

2.6 Referenciass

1 Hinterdorfer P. in Springer Handbook of Nanotechnology 2010, pp 476-492. 2 Alvarez D. E., Lodeiro M. F., Ludueña S. J., Pietrasanta L. I., and Gamarnik A. V.. J. Virol., 79:

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Gamarnik A. V. Genes & Development 20: 2238 (2006). 3 Sieira R, Comerci D. J., Pietrasanta L. I. and Ugalde R. A., Mol Microbiol, 54: 808 (2004);

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1161 (2001); Pelah A, Ludueña S., Jares-Erijman E., Szleifer I., Pietrasanta L., Jovin T. Langmuir

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2. Medición de fuerzas de interacción moleculares mediante AFM

118

22:9682 (2006); Flexer V., Forzani E. S., Calvo E. J., Ludueña S. J. and Pietrasanta L. I. Anal

Chem 78:399 (2006); Pedano M. L, Pietrasanta L. I., López Teijelo M., and Rivas G. A.

Electroanalysis, 20: 739 (2008). 5 Ebner A., Wildling L., Zhu R., Rankl C., Haselgrübler T., Hinterdorfer P. and Gruber H. J.,

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IV. Microscopía de fluorescencia

multidimensional: visualización,

localización y distribución de los

complejos adhesivos.

Análisis del estado mecánico de una

célula viva, determinación de las

constantes cinéticas, correlación entre

concentración y estado de agregación

de los complejos de adhesión.

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Capítulo 3

Expresión y visualización de proteínas

de las adhesiones focales por

Microscopía Confocal de Fluorescencia

En este capítulo muestro la expresión y localización de las distintas proteínas de las

adhesiones focales estudiadas, visualizadas por microscopía confocal de fluorescencia.

Presento también la utilización del dispositivo estirador en células vivas y su

caracterización en términos de la variación del área de las células por microscopía de

transmisión y por fluorescencia.

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3. Expresión y visualización de proteínas de las FA por Microscopía Confocal de Fluorescencia

123

3.1 Introducción

La microscopía de fluorescencia es una herramienta de inestimable valor ya que

permite alcanzar altos niveles de sensibilidad y resolución microscópica, permitiendo

una apreciación diferente de la información que se puede obtener de los especímenes y

que generalmente pasa desapercibida1. El microscopio de fluorescencia une la brecha

entre células y moléculas, aún debajo de la resolución espacial nominal dada por el

límite de difracción de la luz. Así, la luz puede ser aplicada no sólo como una sonda de

posición, sino también como una forma de establecer el estado de asociación, la

naturaleza del entorno y las propiedades dinámicas de las moléculas a través de una

variedad de fenómenos espectroscópicos.

La coincidencia de los desarrollos en microscopía de fluorescencia con el

crecimiento de la biotecnología ha resultado en un enorme beneficio para la biología y

la biofísica. La genética molecular, sumada al descubrimiento de la proteína verde

fluorescente (GFP) y el desarrollo de sus variantes mutantes espectrales en el visible

(VFPs), abrieron la puerta a las investigaciones multicolor no invasivas en localización

de proteínas, interacciones intermoleculares y tráfico en cultivos de células vivas2.

El primer paso en estudio del estado mecánico de las proteínas de las adhesiones

focales analizadas en este trabajo de Tesis a través de microscopía de fluorescencia, fue

el de poner a punto la expresión y visualización de dichas proteínas unidas a las VFPs.

En este capítulo muestro la localización de las proteínas estudiadas: zixina y vinculina

como potenciales moléculas sensoras de la tensión, además de integrina, paxilina, FAK

y actina, todas componentes de las FAs. Presento también el estudio del estiramiento

mecánico de las células vivas y la cuantificación del estiramiento en términos de área de

las células en función del número de vueltas dadas por el dispositivo estirador.

3.2 Células HC11 para las mediciones de fluorescencia

Para todos los experimentos realizados en microscopía de fluorescencia en este

trabajo de Tesis, las células de epitelio mamario de ratón HC11 fueron cultivadas en

cubreobjetos recubiertos con fibronectina o colágeno y transfectadas usando

lipofectamina con los plásmidos de fusión: zixina-EGFP, paxilina-EGFP, FAK-EGFP y

vinculina-EGFP. Luego de 36 hs se adquirieron las imágenes. Para Microscopía

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3. Expresión y visualización de proteínas de las FA por Microscopía Confocal de Fluorescencia

124

confocal, se empleó el microscopio confocal espectral FV1000 Olympus, usando un

objetivo de inmersión en aceite 60X1.35 NA. Para mediciones en el estirador, las

células fueron cultivadas en membranas de silicona de 0.17 mm de espesor (Specialty

Manufacturing Inc., EEUU) y transfectadas usando lipofectamina según el protocolo

descripto, o bien cultivadas en placas de 6 pocillos, transfectadas y luego crecidas en las

membranas de silicona recubiertas con fibronectina. Las mediciones en membranas de

silicona se realizaron con un objetivo de aire 40X 0.75 NA (Zeiss) o bien con un

objetivo de aire 40X 0.95 NA (Olympus). Todos los experimentos se realizaron a 37°C

usando la cámara incubadora del microscopio.

3.3 Visualización de proteínas de las adhesiones focales en células HC11

Mediante microscopía confocal de fluorescencia observamos todas las

construcciones para expresar las proteínas de las adhesiones focales unidas a proteínas

fluorescentes. En la Figura 3.1 presento un resumen general de la expresión de zixina,

paxilina, FAK y vinculina , unidas a la proteína verde fluorescente EGFP.

Figura 3.1 Expresión de proteínas de las FA. Células HC11 transfectadas para la expresión de zixina-

EGFP, paxilina-EGFP, FAK-EGFP y vinculina-EGFP. Tomadas en el microscopio FV1000 con un

objetivo 60X de inmersión en aceite, apertura numérica 1.35. Se muestran secciones ampliadas de las

FAs.

5µµµµm FAK 5µµµµm

Vinculina

5µµµµm

Paxilina

2µµµµm

2µµµµm

60X/NA 1.35

5µµµµm Zixina

2µµµµm

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3. Expresión y visualización de proteínas de las FA por Microscopía Confocal de Fluorescencia

125

Puede verse que las cuatro proteínas mencionadas se localizan en las adhesiones

focales. Se observa además que la zixina se localiza con menor intensidad (en menor

proporción) sobre los filamentos de actina, mientras que tanto la paxilina como la

vinculina, además de estar concentradas en las FA, se ven distribuidas también en el

citoplasma. Por otra parte, se observa que cada proteína se localiza como parte de la

adhesión focal en una morfología característica, formando algunas proteínas adhesiones

más redondeadas, mientras que otras se localizan formando adhesiones más alargadas.

Es decir, cada proteína se localiza en las FA como un “sello” característico.

En la Figura 3.2 se muestran células HC11 co-transfectadas para expresar las

proteínas de las FAs (zixina e integrina, ambas unidas a EGFP) y el péptido lifeACT

(que forma parte de la actina) marcado con mCherry, que se localiza en los filamentos

de actina. Puede observarse que las FAs se forman en las terminaciones de los

filamentos de actina, permitiendo la interacción de esta última con las proteínas de las

FAs.

Figura 3.2 Expresión de proteínas de las FAs. Células HC11 co-transfectadas con vectores de fusión

para la expresión de zixina-EGFP y lifeACT-mCherry, o integrina-EGFP y lifeACT-mCherry. Tomadas

en el microscopio FV1000 con un objetivo 60X de inmersión en aceite, apertura numérica 1.35. Se

muestra también una deconvolución 3D, realizada utilizando planos confocales tomados cada 100 nm de

profundidad, y utilizando un método estimación de máxima verosimilitud provista por el programa

Huygens Professional (Scientific Volume Imaging, Hilversum, Holanda).

EGFP-Zyxina mCherry-lifeAct

EGFP-Beta3-integrina mCherry-lifeAct

2µµµµm 2µµµµm 2µµµµm

60X/NA 1.35

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3. Expresión y visualización de proteínas de las FA por Microscopía Confocal de Fluorescencia

126

Se presenta también una deconvolución tridimensional de una porción de la

célula en la que se ven tanto los filamentos de actina como las FAs. Mediante la

microscopía confocal de fluorescencia es posible lograr este tipo de deconvoluciones

tomando múltiples imágenes en planos en el eje vertical a una distancia menor a la

resolución del microscopio (específicamente menor a la mitad de la resolución, por el

teorema de Nyquist, en este caso se tomaron imágenes en planos cada 100 nm).

Realizamos un estudio morfométrico de las adhesiones focales marcadas con las

distintas proteínas utilizadas, y analizamos no sólo su área sino también otros dos

parámetros: la circularidad (C) y la relación de aspecto (AR), definidos por las

ecuaciones 3.1 y 3.2:

perímetro

áreaC

..4 π= 3.1

(un valor de C = 1 indica una esfera perfecta, mientras que a medida que C se acerca a

cero la forma es más elongada)

menor

MAYOR

R

RAR = 3.2

obtenida de ajustar el área de la FA por una elipse, donde RMAYOR y Rmenor son los radios

de la elipse (en este caso un valor de AR = 1 corresponde a una esfera perfecta, mientras

que cuanto más grande es el AR más alongada es la estructura).

En la Figura 3.3 se muestran los resultados del análisis, que fue realizado con el

programa FIJI.

Figura 3.3 Estudio morfométrico de las FAs. De las FAs marcadas con las 5 proteínas estudiadas: �3-

integrina, FAK, paxilina y vinculina, se realizó un estudio del área promedio (A), circularidad (B) y

relación de aspecto (C). En cada caso se analizaron aproximadamente 20 adhesiones focales.

Beta 3 integrina FAK Paxilina Vinculina Zixina0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Are

a pr

omed

io (

µm

2 )

A

Beta 3 Integrina FAK Paxilina Vinculina Zixina0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75 B

C

Beta 3 Integrina FAK Paxilina Vinculina Zixina2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5 C

AR

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3. Expresión y visualización de proteínas de las FA por Microscopía Confocal de Fluorescencia

127

Como puede verse, el área promedio de todas las FAs estudiadas es del orden de

1 µm2, y la �3-integrina es la proteína que forma adhesiones de mayor área y más

circulares. Respecto de las otras cuatro proteínas podemos decir que el área promedio de

las mismas es aproximadamente la misma, mientras que en cuanto a su circularidad o

relación de aspecto, FAK y vinculina se disponen en forma más elongadas en las FAs

que paxilina y zixina.

3.4 Estiramiento mecánico de células vivas en cultivo

El estiramiento de células cultivadas sobre membranas flexibles ha sido bastante

utilizado en la literatura3, y si bien casi la totalidad de los trabajos publicados no fueron

realizados in vivo, se han determinado cambios en la distribución, orientación y

morfología de las células en respuesta a este tipo de estímulos. En uno de los pocos

trabajos de la literatura en el que trabajan con células vivas, Spatz y colaboradores

mostraron que el estiramiento de las células induce la activación de las Rho GTPasas4,

asociadas también al proceso de mecanotransducción. En este trabajo sin embargo se

estudia una respuesta global de la célula, y no un fenómeno asociado a las FAs.

Las técnicas de microscopía de fluorescencia implementadas en este trabajo de

Tesis tienen como objetivo estudiar los cambios en la dinámica e interacción de las

proteínas de las adhesiones focales en respuesta al estiramiento mecánico. Como

mostramos en el capítulo anterior, la línea celular HC11 puede crecer normalmente en

membranas de silicona cubiertas con fibronectina, y el estirador mecánico puede ser

utilizado en células vivas expresando las proteínas de las FAs unidas a VFPs. Sin

embargo, dadas las características de las membranas y el hecho de que no permitan

trabajar con objetivos de inmersión (de alta apertura numérica) por su inestabilidad en el

foco, resulta un gran desafío implementar en el dispositivo estirador este tipo de

técnicas que requieren la adquisición de imágenes en el tiempo.

Por otro lado, el cultivo de las células en las membranas de silicona tuvo que

optimizarse, resultando bastante más sensible que el cultivo en cubreobjetos. En este

sentido, encontramos que las células no crecen en las membranas sin el recubrimiento

de fibronectina. En la Figura 3.4 se muestran el tipo de membranas utilizadas para

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3. Expresión y visualización de proteínas de las FA por Microscopía Confocal de Fluorescencia

128

crecer las células, así como el dispositivo estirador con la membrana y ya dispuesto el

dispositivo en el microscopio confocal.

Figura 3.4 Dispositivo estirador de células vivas en cultivo. Membranas de silicona utilizadas para

cultivar las células y estirarlas mecánicamente, dispuestas en el estirador y este último en funcionamiento

en el microscopio confocal FV1000.

El primer paso en la utilización del dispositivo estirador con células vivas fue la

caracterización del estiramiento en términos del área de las células. Para ello, se

tomaron imágenes en transmisión y se midió el área total de las células con la tensión

inicial y para cada vuelta del estirador hasta un total de siete vueltas. En la Figura 3.5

se presentan imágenes de luz transmitida de las células en la tensión inicial y luego de

las siete vueltas de estiramiento. Las células se numeraron y de cada una de ellas se

midió el área para distintos estados de tensión utilizando el programa FIJI. Se espera

que, si el aumento en el área de las células sigue el estiramiento de la membrana (que

encontramos lineal con el número de vueltas en términos de distancia), la dependencia

con el número de vueltas sea cuadrática. En efecto, si bien a partir de la calibración

lineal el coeficiente cuadrático debería ser pequeño, encontrándose el área en un rango

en que la dependencia cuadrática podría considerarse lineal, el ajuste cuadrático del área

en función del número de vueltas se corresponde con la función esperada a partir de la

calibración del estiramiento por distancias (sección II.4). En números, el parámetro

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3. Expresión y visualización de proteínas de las FA por Microscopía Confocal de Fluorescencia

129

cuadrático obtenido a partir de la calibración de estiramiento con las microesferas

debería ser (0.0032 ± 0.0001) µm2/vueltas2, y el lineal (0.113 ± 0.002) µm2/vueltas. El

ajuste cuadrático del área de las células en función del número de vueltas arrojó un

coeficiente lineal de (0.101 ± 0.016) µm2/vueltas2 y un coeficiente cuadrático de

(0.0027 ± 0.0023) µm2/vueltas2. Si bien el coeficiente cuadrático obtenido tiene mucho

error, podemos decir que presenta la concavidad esperada y que el coeficiente lineal

respeta el valor esperado. Es por esto que concluimos que el estiramiento en el área total

de las células sigue el estiramiento de la membrana a la que están adheridas. En algunos

casos (no tenidos en cuenta en este análisis) vimos que las células se empiezan a retraer

a partir de un umbral de estiramiento para luego despegarse.

Figura 3.5 Área de las células en función del estiramiento. Imágenes de transmisión de células HC11

cultivadas en membranas de silicona recubiertas con fibronectina, a tensión inicial (A) y después de 7

vueltas de estiramiento (B). Para 20 células analizadas, se estudió el aumento de área relativa al área a

tensión inicial en función del número de vueltas (C). En rojo se muestra el ajuste cuadrático.

Como paso siguiente expresamos en células crecidas en las membranas de

silicona, las proteínas de fusión para las proteínas de las FAs unidas a las VFPs. En la

Figura 3.6 se puede ver una célula HC11 que expresa la proteína quimera zixina-EGFP

a tensión inicial y luego de dos vueltas de estiramiento. Se observan nítidamente las

adhesiones en la periferia de la célula así también algunos cúmulos en el citoplasma.

Cabe mencionar que al trabajar con las membranas de silicona tenemos que sacrificar el

potencial tecnológico del confocal y emplear una lente objetivo de mayor distancia de

trabajo en aire, ya que hay que evitar tocar la membrana, y menor apertura numérica

comparada con lentes objetivo que usaríamos al trabajar con células cultivadas sobre

vidrio. Esto se debe a que la membrana es muy flexible y si el objetivo es de inmersión

se hace imposible enfocar por la deformación de la membrana. La mayoría de los

1

23

41

23

4

56

7

56

7

8 9

12138 9

1213

10

1110

1114

1516

141516

A 7 vueltasB0 vueltas

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

Are

a pr

omed

io/A

rea

inic

ial

# vueltas

C

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3. Expresión y visualización de proteínas de las FA por Microscopía Confocal de Fluorescencia

130

grupos que trabajan en el área emplean la estrategia de estirar la membrana con las

células y luego fijarlas químicamente para hacer la observación en el microscopio

confocal.

Figura 3.6 Estiramiento mecánico de células vivas en fluorescencia. Célula HC11, crecida sobre

membrana de silicona recubierta con fibronectina, transfectada para expresar la construcción zixina-

EGFP, antes (izquierda) y después (derecha) de realizar un estiramiento de una vuelta. Barra 10µm.

El desafío es mayor si deseamos expresar dos proteínas de adhesión. En la

Figura 3.7 se puede ver una célula co-transfectada con vectores de fusión para la

expresión de zixina-EGFP y lifeAct-mCherry, a tensión inicial y luego de 2, 4, 5 y 6

vueltas de estiramiento. Se puede ver que, en respuesta a la fuerza, la zixina se recluta

en las adhesiones focales y transloca también a los filamentos de actina lo que es

consistente con estudios previos5. En la secuencia de imágenes podemos ver cómo las

fibras de estrés de actina (flechas rojas), a medida que se incrementa el número de

vueltas, van siendo "decoradas" con la presencia de la proteína zixina (flechas verdes).

Esta observación refuerza la idea de que la proteína zixina se acumula en sitios donde

las fibras de actina puedan sufrir daño en su integridad, por ejemplo por el

estiramiento/perturbación mecánica, reclutando proteínas que estabilizan las fibras de

estrés. De esta manera contribuiría a mantener la homeostasis mecánica.

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3. Expresión y visualización de proteínas de las FA por Microscopía Confocal de Fluorescencia

131

A B C

D E

A B C

D E

A B C

D E

A B C

D E

Figura 3.6. Estiramiento mecánico de células vivas en cultivo. Célula HC11, crecida sobre membrana

de silicona recubierta de fibronectina, co-transfectada para expresar zixina-EGFP y lifeAct- mCherry a

tensión inicial (A) y después de 2, 4, 5 y 6 vueltas (B, C, D y E, respectivamente) de estiramiento.

Escala= 10µm.

A partir de estos resultados, podemos decir que el dispositivo estirador mecánico

puede ser utilizado para trabajar en microscopía de fluorescencia in vivo de adhesiones

focales, lo que representa un avance en el estado del arte de este tipo de experimentos

dado que nos permite combinar el estímulo mecánico con técnicas dinámicas para

obtener información funcional de la célula.

3.5 Conclusiones

En este capítulo se mostró que la expresión de los plásmidos que codifican las

distintas proteínas de las FAs estudiadas unidas a las VFPs se localiza en las adhesiones

focales de células HC11, permitiendo establecer nuestro sistema biológico de estudio.

También se pudieron visualizar los filamentos de actina, componente del citoesqueleto

de la célula y partícipe de las FAs, a través de la expresión del vector de fusión para

lifeAct-mCherry. Se demostró que las células cultivadas sobre membranas de siliconas

expresan también las proteínas mencionadas.

Se logró caracterizar cuantitativamente el cambio en el área total de células

vivas en función del estiramiento mecánico producido por el dispositivo estirador,

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3. Expresión y visualización de proteínas de las FA por Microscopía Confocal de Fluorescencia

132

obteniendo una función consistente con la caracterización de estiramiento lineal. Este

resultado nos permite inferir que el cambio en el área total de las células sigue el

estiramiento de la membrana a la que están adheridas.

Se observó que, en respuesta al estímulo mecánico, la proteína zixina se recluta

formando adhesiones focales de mayor área y transloca a los filamentos de actina.

Los resultados presentados en este capítulo sientan las bases para combinar el

estímulo mecánico global producido por el dispositivo estirador con técnicas de

fluorescencia in vivo para estudios en adhesiones focales en células HC11, nuestro

sistema de interés. Esta combinación representa un avance en el estado del arte para

experimentos de estiramiento, dado que nos permite obtener información dinámica y

funcional de la célula en respuesta al estímulo mecánico.

3.6 Referencias 1 Jovin, T. M. and Arndt-Jovin D. J., Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chern. 18:271-308 (1989). 2 Day R. N. and Schaufele F., Mol Endocrinol 19:1675-1686, (2005); Bastiaens P. I. H. and

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Capítulo 4

Determinación de las constantes cinéticas de

disociación de proteínas de las adhesiones focales

mediante FRAP

En este capítulo describo la implementación de la técnica FRAP (recuperación de la

fluorescencia después del fotoblanqueo) para el estudio de las constantes cinéticas de

disociación de las proteínas de las adhesiones focales (FAs) zixina, paxilina, FAK y

vinculina en células vivas. Presento también el estudio de la respuesta de la cinética de

la proteína zixina a diferentes tipos de estímulos relacionados con la matriz extracelular:

por un lado a la variación en el sustrato de crecimiento de las células (vidrio desnudo,

colágeno sobre vidrio, fibronectina sobre vidrio y fibronectina sobre membranas de

silicona) y por el otro al estiramiento mecánico.

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

135

4.1 Introducción

La técnica de recuperación de la fluorescencia luego del fotoblanqueo (FRAP)1

permite obtener información acerca de la cinética de las proteínas dentro de la célula. A

través del análisis de las curvas de recuperación de la fluorescencia se pueden

determinar las constantes cinéticas de los fenómenos dinámicos involucrados en el

movimiento de las proteínas.

En adhesiones focales se han realizado numerosos estudios con esta técnica que

han permitido describir la cinética de las proteínas en diferentes tipos celulares, bajo

distintos estímulos, y para FAs en diferentes tiempos de maduración. Es importante

mencionar que no es directa la comparación de los valores de las constantes cinéticas en

las distintas líneas celulares dada la heterogeneidad no sólo en la composición de las

FAs sino en la naturaleza y el grado de las interacciones entre las proteínas que forman

las FAs. En la línea celular HC11 no hay en nuestro conocimiento trabajos con este tipo

de estudios.

En este capítulo se presenta la utilización de FRAP para el análisis de la cinética

de reclutamiento de cuatro proteínas (zixina, paxilina, FAK y vinculina) a las

adhesiones focales de células epiteliales mamarias de la línea HC11. Esta técnica nos

permitió obtener la constante cinética de disociación (kOFF) a las FAs de cada una de las

proteínas estudiadas, así como su fracción móvil. Para la proteína zixina, postulada

como una de las proteínas que sensan las fuerzas mecánicas, analizamos los cambios en

la cinética de reclutamiento para células cultivadas en diferentes sustratos: vidrio

desnudo, vidrio recubierto con colágeno o fibronectina, y membranas de silicona

recubiertas con fibronectina.

Implementamos también la técnica FRAP en células sometidas a un estiramiento

mecánico, presentando aquí los primeros resultados para estudiar la dinámica de la

proteína adhesiva zixina en células vivas, y su respuesta ante el estiramiento mecánico.

4.2 FRAP en adhesiones focales: experimento y modelos

El experimento de FRAP en adhesiones focales consiste en fotoblanquear una

pequeña región de interés (ROI) dentro de una adhesión focal y registrar la recuperación

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

136

de la fluorescencia en función del tiempo. Todos los experimentos se realizaron en el

microscopio FV1000 espectral de Olympus descrito en la sección II.2. Se utilizaron las

construcciones de proteínas de las FAs unidas a la EGFP.

Para realizar el experimento, antes del fotoblanqueo (etapa que denominamos

pre-bleach) se registran algunas imágenes de manera de cuantificar la intensidad inicial.

El fotoblanqueo (etapa bleach) se logra aplicando un pulso con la línea láser de 488 nm

a 100% de potencia de entre 40 y 200 ms de duración. El pulso debería durar el tiempo

suficiente para blanquear el fluoróforo en una buena proporción (idealmente > 90 %),

pero además ser lo suficientemente corto como para restringir el fotoblanqueo a una

zona dentro de la FA (con pulsos de larga duración el volumen efectivo de fotoblanqueo

es mayor, dado que se fotodestruye también proteína que va ingresando a la ROI).

Figura 4.1 Esquema del experimento de FRAP. A Protocolo de FRAP realizado sobre las células

HC11 transfectadas con la construcción zixina-EGFP: durante la etapa previa (pre-bleach) al

fotoblanqueo (bleach) se registraron imágenes de regiones de las células en las que se ven FAs; luego se

aplicó un pulso de fotoblanqueo con un láser de 488nm a 100% de potencia de entre 40 y 200 mseg de

duración en una región de tamaño inferior a una FA (entre 0,2 y 0,5 µm2). Se registraron imágenes

durante la recuperación de la fluorescencia (post-bleach) hasta alcanzar el estado estacionario. B

Secuencia temporal de fotos correspondiente a la detección de la proteína zixina en las células HC11

crecidas sobre colágeno. Secuencia superior: región de la célula que contiene 5 adhesiones focales (la

cabeza de flecha indica la zona del fotoblanqueo). Secuencia inferior: detalle de la adhesión focal sobre la

que se produjo el fotoblanqueo. Barra de escala: 1 µm. Pre y post se refiere a antes y después del

fotoblanqueo.

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

137

Para aumentar la proporción de fotoblanqueo sin necesidad de incrementar

demasiado el tiempo de blanqueo, en algunos casos se prendió también durante esta

etapa la línea de 458 nm al 100%. Una vez fotoblanqueada la ROI, se registran

imágenes durante la recuperación de la fluorescencia (etapa post-bleach) hasta ver que

la intensidad de la fluorescencia alcanza el estado estacionario. En la Figura 4.1 se

presenta el esquema de un experimento de FRAP y su aplicación en adhesiones focales

de células HC11 marcadas con zixina-EGFP.

Para obtener las curvas de recuperación, en primer lugar es necesario corregir

la señal de fondo en todas las imágenes (utilizando una región de la imagen en la que no

se ve fluorescencia). Por otra parte, se debe corregir el fotoblanqueo por adquisición.

Para ello, se elige una FA control (donde NO se realiza el fotoblanqueo para FRAP) y

se cuantifica la evolución de la intensidad que estará gobernada por el fotoblanqueo por

adquisición. La correción se realiza dividiendo la señal a analizar por la intensidad en la

FA control Estas dos correcciones requieren que las imágenes consideradas para el

análisis contengan no sólo la FA en la que se realiza el experimento sino también otras

adhesiones para ser usadas como control del fotoblanqueo por adquisición, y una región

donde no se observe fluorescencia para cuantificar el ruido de fondo.

0 50 100 1500

4000

8000

12000

Inte

nsid

ad

tiempo (s)

region de FRAP FA control background

Figura 4.2 Mediciones de FRAP no corregidas. Señales de FRAP para el ejemplo de un experimento

con zixina-GFP, necesarias para obtener la curva de recuperación: para corregir el fotoblanqueo por

adquisición la señal de intensidad en la región del experimento de FRAP (azul) se divide por la señal en

una adhesión control (negro). Previamente a ambas señales se les resta la señal de fondo tomada en una

región sin adhesiones focales (rojo).

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

138

En la Figura 4.2 se presenta un gráfico de los datos crudos de intensidad de la

fluorescencia analizados, en los que se puede ver la señal de intensidad en la región del

experimento de FRAP, la señal en una adhesión control para cuantificar el fotoblanqueo

por adquisición, y la señal de fondo tomada en una región sin adhesiones focales. En el

gráfico de la intensidad de la fluorescencia en función del tiempo en la región de FRAP,

la curva presenta una abrupta disminución de la intensidad luego del fotoblanqueo

seguido de un aumento que es indicativo de la recuperación, la cual puede ser total o

parcial. Por otro lado, a lo largo del tiempo se observa una disminución de la intensidad

de la fluorescencia para la región sobre la FA control debido al fotoblanqueo por

adquisición.

Es importante aclarar que la corrección por fotoblanqueo se suele hacer en

otros experimentos en función del tiempo con la fluorescencia de la célula completa,

dado que la cantidad total de proteína en la célula se mantiene constante

independientemente de la dinámica dentro de la célula. Sin embargo, en el caso de los

experimentos de FRAP, tomar en el tiempo imágenes de toda la célula (con la

resolución en píxeles necesaria para muestrear la adhesión focal de interés) demandaría

un tiempo que no nos permitiría registrar con suficiente resolución temporal la curva de

recuperación. Es por ello que se toman imágenes en un área más pequeña, considerando

para la corrección por fotoblanqueo una adhesión focal en donde no se haya producido

el fotoblanqueo para FRAP. Aún así, hemos tomado en cada experimento más de una

adhesión control, y corroborado que el fotoblanqueo por adquisición en todas las

adhesiones control tiene el mismo comportamiento. Esta observación nos confirma que

realizar la corrección con cualquiera de las adhesiones focales control resulta

equivalente.

Modelo de recuperación en adhesiones focales

Para ajustar los datos experimentales de recuperación de la fluorescencia se

utilizó el modelo propuesto por Lele y colaboradores2,3. Brevemente, se considera que

las proteínas en estado estacionario en las FAs pueden encontrarse en dos estados:

ligado ( C ) o libre (C), con tasas de intercambio entre uno y otro kON y kOFF (ecuación

4.1):

CC

OFF

ON

k

k

ˆ ←

→ 4.1

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

139

Para describir la cinética de las proteínas en las FAs deben resolverse entonces

las ecuaciones cinéticas que modelan el intercambio entre estos dos estados, sumado a

la difusión de las moléculas no ligadas (ecs. 4.2 y 4.3):

CkC

CCkCD

t

COFFON

ˆ)~ˆ

1(0

2 +−−∇=∂

∂ 4.2

4.3

Se pide además la condición 0=⋅∇ nC en el contorno celular, lo que significa

que no hay flujo de proteínas fuera de la célula. C es la concentración de proteína libre,

C la de proteína ligada, 0

~C es la concentración teórica de las moléculas si están ligadas

a todos los sitios disponibles (si puede ligarse una molécula por sitio de unión, 0

~C es

igual a la concentración de sitios de unión), y kON y kOFF son las tasas de asociación y

disociación respectivamente. 0

1C

CS −≡ es la fracción de sitios disponibles o la

probabilidad de unión.

Después del fotoblanqueo, se crean dos conjuntos de moléculas ópticamente

diferentes, moléculas fotoblanqueadas y moléculas fluorescentes, cuyas concentraciones

suman una cantidad constante: la concentración de equilibrio existente antes del

fotoblanqueo. Este vínculo se tiene que satisfacer en cada punto del dominio. Llamamos

a la concentración de especies libres fotoblanqueadas P

C y a la de moléculas libres

fluorescentesF

C ; y análogamente para las especies ligadas P

C y F

C . 0CCCFP

=+ y

0ˆˆˆ CCC

FP=+ son las ecuaciones de vínculo válidas en el dominio, i.e. no se crean

gradientes en la concentración total de moléculas. Sólo existirán gradientes en las

concentraciones de moléculas individuales fotoblanqueadas o fluorescentes. Cada uno

de estos conjuntos de moléculas obedecen las ecuaciones de conservación (4.2) y (4.3),

por lo que

4.4 FOFFFONF

F CkC

CCkCD

t

C ˆ)~ˆ

1(0

02 +−−∇=∂

CkC

CCk

t

COFFON

ˆ)~ˆ

1(ˆ

0

−−=∂

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

140

4.5

Así, las ecuaciones para moléculas fluorescentes y fotoblanqueadas están desacopladas

y pueden resolverse de manera independiente.

Sobre estas ecuaciones se realizan algunas hipótesis. En principio se asume que

la recuperación está dominada por la reacción de disociación de la proteína a la FA o

que la difusión es despreciable, lo cual es razonable teniendo en cuenta que el área del

fotoblanqueo es pequeña. En efecto, experimentalmente corroboramos que la difusión

en el citoplasma es despreciable (los experimentos realizados en el citoplasma

presentaron una recuperación más rápida que el tiempo transcurrido hasta tomar la

primer imagen post-bleach). Es válido entonces asumir que 0CC F = , es decir que la

concentración de proteína libre difundiendo es constante. Se considera además que kON

y S no cambian en la escala temporal de la recuperación de FRAP.

Este modelo es válido para proteínas en las que se da un único estado ligado/no

ligado, como por ejemplo la zixina. La solución de las ecuaciones mencionadas en este

tipo de proteínas (que denotaremos con el subíndice z por zixina) puede escribirse

mediante: 0, CCZF= , y

ZFOFF

Z

Z

ZON

ZFCk

C

CCk

dt

Cd,

,0

,0,0

, ˆ)~ˆ

1(ˆ

−−= . La solución a esta ecuación es

la ecuación 4.6:

)1(ˆ)1(~ˆ

1ˆ,0

,0

,0,0,

tk

Z

tk

Z

Z

Z

OFF

ON

ZFOFFOFF eCe

C

CC

k

kC

−− −=−��

��

�−= 4.6

que escrita en términos de la concentración normalizada a la concentración inicial da la

ecuación 4.7:

tk

Z

ZF OFFeC

C −−= 1ˆ

ˆ

,0

, 4.7

Por lo tanto, ajustando la curva de recuperación (intensidad normalizada a la intensidad

inicial) a la función de la ec. 4.7, se estima únicamente la constante kOFF. Una ventaja

clara de este análisis es que el cálculo es independiente de la concentración de proteína

libre o ligada, por lo que no se necesitan otras mediciones.

Puede suceder que la recuperación no responda a una única dinámica y que por

ejemplo, haya dos poblaciones de moléculas con cinéticas diferentes. Es el caso de la

FOFFFON

F CkC

CCk

t

C ˆ)~ˆ

1(ˆ

0

0 −−=∂

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

141

vinculina, cuya recuperación no responde a una única curva exponencial, como

observaron en el trabajo de Lele3. Para la vinculina entonces se puede desarrollar un

modelo análogo al anterior pero considerando dos sub-poblaciones (V1 y V2) cuyos

comportamientos cinéticos son diferentes. En este caso, y haciendo las mismas

suposiciones que en el caso de zixina, la recuperación puede modelarse según la

ecuación 4.8:

)1)(1()1(ˆ

ˆˆ21

,0

2,1, tktk

V

VFVFOFFOFF ee

C

CC−− −−+−=

+αα 4.8

de la que se pueden extraer las constantes cinéticas kOFF1 y kOFF2 de ambas poblaciones,

y �, la fracción relativa de la población V1 (V

V

C

C

,0

1,0

ˆ

ˆ=α ).

Como se detalló en la sección II.2.5 b, se corrige el valor de intensidad

restando el valor medio de la etapa bleach, y luego se normaliza al valor medio de la

etapa pre-bleach (ec. II.7). Esto hace que la curva tome valores entre 0 y 1.

Una observación recurrente es que la intensidad, aún corregida por el

fotoblanqueo, suele no recuperar hasta alcanzar el valor inicial, o lo que es lo mismo, las

curvas de recuperación llegan a un valor estacionario distinto a la unidad. En términos

del modelo descripto, esto significa que hay una fracción de la proteína fluorescente

inmóvil, que no responde a la dinámica estudiada. Para tener en cuenta esta fracción

inmóvil de proteína, en lugar de la ecuación 4.7 se utiliza la 4.9:

)1.( .tkOFFemF−−= 4.9

en donde m representa la fracción móvil de la proteína en la adhesión focal. En forma

análoga se considera también una fracción móvil para cada una de las subpoblaciones

de la vinculina.

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

142

4.3 Parámetros de la cinética molecular de proteínas de las adhesiones focales

mediante FRAP

Estudiamos mediante FRAP las constantes de disociación y fracciones móviles

de cuatro proteínas de las adhesiones focales: paxilina, FAK, zixina y vinculina. Para

ello utilizamos las construcciones de las mismas unidas a la GFP, expresadas en células

HC11. Para estos experimentos, las células fueron cultivadas sobre cubreobjetos

recubiertos con colágeno (otro componente de la matriz extracelular). En la Figura 4.3

se presentan curvas de recuperación típicas para las proteínas zixina, paxilina, FAK y

vinculina.

Figura 4.3. Curvas de recuperación de la fluorescencia en la región fotoblanqueada. Curvas

representativas para las proteínas FAK (A), paxilina (B), zixina (C) y vinculina (D). Las curvas de

recuperación se ajustaron con el modelo monoexponencial para FAK, paxilina y zixina, y con el modelo

biexponencial para vinculina.

Las curvas fueron ajustadas por el modelo de Lele para obtener los parámetros

biológicos relevantes: la constante de disociación kOFF y la fracción móvil m. A partir de

0 20 40 60 800.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Rec

uper

ació

n flu

ores

cenc

ia

Tiempo (s)

FAK

0 20 40 60 800.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Paxilina

Rec

uper

ació

n flu

ores

cenc

ia

Tiempo (s)

0 20 40 60 80 100 120 140 1600.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Zixina

Rec

uper

ació

n flu

ores

cenc

ia

Tiempo (s)

0 20 40 60 800.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Vinculina

Rec

uper

ació

n flu

ores

cenc

ia

Tiempo (s)

A B

C D

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

143

la constante de disociación kOFF se obtienen los tiempos medios característicos y de

residencia de la proteína de interés en la FA. Para las proteínas paxilina, FAK y zixina

se utilizó el modelo monoexponencial, mientras que para vinculina se utilizó el modelo

de dos poblaciones con diferente cinética. Los datos fueron ajustados por el método de

cuadrados mínimos no lineales utilizando la función nlinfit de Matlab.

A simple vista puede decirse que las proteínas zixina y vinculina tienen una

recuperación más lenta que el resto de las proteínas estudiadas. Asimismo tanto zixina

como vinculina presentan una menor fracción móvil. En la tabla 4.1 se presentan los

resultados promedio para todas las células estudiadas.

kOFF (1/s) tr (s) t 1/2 (s) m N

Zixina 0,020 ± 0,002 57 ± 5 39 ± 4 0,51 ± 0,04 29

Paxilina 0,092 ± 0,013 13 ± 2 9 ± 1 0,61 ± 0,04 22

FAK 0,074 ± 0,009 16 ± 2 11 ± 1 0,88 ± 0,04 28

0.40 ± 0.08 3.6 ± 0.9 2.5 ± 0.6 0.08 ± 0.02 Vinculina

0.014 ± 0.002 82 ± 9 57 ± 6 0.69 ± 0.05 8

Tabla 4.1. Resultados de las constantes cinéticas de disociación de zixina, paxilina, FAK y vinculina

en FAs. kOFF refiere a la constante de disociación, mientras que tr y t1/2 son los tiempos característicos,

cuando la recuperación se produjo a 1/e del valor inicial o a 1/2 respectivamente. m es la fracción móvil.

N indica el número de experimentos realizados (en algunos casos se realizó más de un experimento por

célula). En el caso de vinculina se muestran los parámetros del ajuste biexponencial.

Los tiempos medios obtenidos se encuentran en el orden de magnitud de los

informados por el grupo de Lele para otros tipos celulares2. Nuestros resultados

permiten inferir que la zixina posee una disociación más lenta, que implica un mayor

tiempo de residencia de esa proteína en la adhesión. Este resultado estaría asociado a la

participación de la zixina en adhesiones focales maduras. La fracción de moléculas

móviles también resultó menor, lo cual refuerza la hipótesis de que la

asociación/disociación de zixina a las FAs podría ser, en comparación con las otras

proteínas estudiadas, un evento menos dinámico. La paxilina, proteína adaptadora con

sitios de unión para moléculas de señalización y proteínas estructurales de la FA, y la

proteína FAK presentan tiempos medios similares entre sí y menores a los de zixina,

mientras que la fracción móvil de FAK es mayor que la de la paxilina. Esto podría

responder al hecho de que FAK se asocia a intermediarios en la cascada de señalización

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

144

y a algunas proteínas adaptadoras4, mientras que paxilina5 interactúa con varios

componentes estructurales de las FAs (FAK, Src, talina, tubulina y actina) por lo cual es

de esperar que una parte de la población de paxilina no sea accesible al intercambio

(mayor fracción inmóvil). La vinculina por su parte tiene dos tiempos característicos

que se pueden asociar a la presencia de dos subpoblaciones: una rápida, con un tiempo

característico muy corto y una constante de disociación un orden de magnitud mayor

que el resto de las proteínas estudiadas; y otra subpoblación lenta, con una constante de

disociación del mismo orden que el de la zixina. Es interesante observar que según el

ajuste del modelo el 69% de la proteína vinculina pertenecería a la población lenta

mientras que solo el 8% a la rápida. Esto significa que, de la vinculina móvil en la FA,

el 90% conformaría la subpoblación que denominamos lenta, mientras que el 10%

restante sería parte de la subpoblación rápida.

4.4 Respuesta de la cinética de zixina ante estímulos mecánicos y diferencias en la

composición y rigidez de la matriz extracelular.

Para la proteína zixina estudiamos la respuesta de las constantes cinéticas en

función del estiramiento mecánico. Utilizamos el estirador mecánico y las células HC11

cultivadas en membranas de silicona recubiertas con fibronectina. Para el análisis de los

resultados en membranas, dado que se presentaron pequeños corrimientos laterales de

las adhesiones en las secuencias registradas, se utilizó el plugin template matching del

programa ImageJ, que permite corregir pequeños desplazamientos laterales de las

imágenes. Mediante este plugin se alinearon las imágenes antes de realizar el análisis de

FRAP. Dado que las secuencias presentan también fotoblanqueo por adquisición, la

corrección lateral se realizó con el algoritmo Normalized Correlation coefficient, que se

independiza de los valores de intensidad media en las imágenes.

En la Figura 4.4 se presentan imágenes de adhesiones focales que fueron

estudiadas por FRAP en dos estados de estiramiento diferentes: correspondientes a 3 y 7

vueltas del estirador. Analizamos las curvas de recuperación en dos regiones (marcadas

en la Figura 4.4 C) denominadas 1 y 2.

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

145

Figura 4.4. Estudio de la cinética de zixina en respuesta a la fuerza. FAs marcadas con zixina-EGFP

con 3 (A) y 7 (B) vueltas de estiramiento. Puede verse que la proteína se recluta con la fuerza resultando

en adhesiones más intensas y de mayor área. En C se muestra la célula completa en la que se realizó el

experimento de FRAP en dos regiones nomencladas 1 (región de las imágenes A y B) y 2. Barras 2µm (A

y B) y 10 µm (C).

Como puede apreciarse en la figura 4.4, en respuesta a mayor estiramiento, la

zixina parece reclutarse dando lugar a adhesiones más intensas y de mayor área. Se

realizó el experimento de FRAP para las dos condiciones de estiramiento (3 y 7

vueltas), en las dos regiones marcadas en la Figura 4.4 C. En la tabla 4.2 se presentan

los resultados obtenidos para ambas regiones en las dos condiciones de estiramiento.

Región 1 Región 2

3 vueltas 7 vueltas 3 vueltas 7 vueltas

Área (µm2) 3.0 ± 0.2 5.4 ± 0.1 5.8 ± 0.2 7.0 ± 0.1

m 0.28 ± 0.04 0.32 ± 0.06 0.34 ± 0.07 0.35 ± 0.05

kOFF (1/s) 0.022 ± 0.013 0.013 ± 0.008 0.016 ± 0.011 0.024 ± 0.014

Tabla 4.2. Estudio de la cinética de zixina en respuesta a la fuerza. Resultados de FRAP en células

HC11 expresando zixina-EGFP, en dos condiciones de fuerza: 3 y 7 vueltas. Las Regiones 1 y 2 son las

marcadas en la Figura 4.4 C. Además de los parámetros kOFF y m obtenidos del análisis de FRAP, se

cuantificó el área de las adhesiones.

De los resultados obtenidos puede inferirse que el estiramiento produce un

aumento en el área de las FAs, lo que sugiere el reclutamiento de zixina en las mismas.

Por otro lado, no observamos un cambio evidente en la constante de disociación ni

tampoco parece haber diferencias significativas en la fracción móvil teniendo en cuenta

las incertezas de las mediciones.

A B

3 vueltas 7 vueltas

C

1 2

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

146

Por último, se presenta una comparación en los parámetros cinéticos de la zixina

para FAs de células cultivadas en diferentes tipos de sustratos. Además de lo ya

presentado en cubreobjetos recubiertos con colágeno y membranas con fibronectina, se

realizaron experimentos en células cultivadas tanto en vidrio desnudo como en

cubreobjetos recubiertos con fibronectina. En la tabla 4.3 se muestra la comparación de

los resultados obtenidos en los diferentes sustratos. Dado que no se evidenciaron

cambios ni en kOFF ni en m en función de la fuerza, para los resultados en membrana se

promediaron las mediciones de los dos estados de tensión medidos. Las células crecidas

en cubreobjetos desnudos presentaron curvas de recuperación más ruidosas, por lo que

los resultados de estas mediciones presentan una mayor incerteza.

kOFF (1/s) tr (s) t 1/2 (s) m N

Vidrio 0,017 ± 0,006 93 ± 34 64 ± 24 0,52 ± 0,07 4

Colágeno 0,020 ± 0,002 57 ± 5 39 ± 4 0,51 ± 0,04 29

Fibronectina 0,021 ± 0,004 66 ± 9 46 ± 6 0,49 ± 0,04 15

FN –membrana 0,023 ± 0,003 48 ± 6 34 ± 4 0,34 ± 0,01 7

Tabla 4.3. Estudio de la cinética de zixina en respuesta a la fuerza. Resultados de FRAP en células

HC11 expresando zixina-GFP, crecidas en diferentes sustratos: vidrio desnudo, vidrio recubierto con

colágeno, vidrio recubierto con fibronectina y membranas de silicona recubiertas con fibronectina. kOFF

refiere a la constante de disociación, mientras que tr y t1/2 son los tiempos característicos, cuando la

recuperación se produjo a 1/e del valor inicial o a 1/2 respectivamente. m es la fracción móvil, y N indica

el número de experimentos promediados.

Según los resultados de la tabla 4.3, la constante de disociación de la zixina a las

adhesiones focales no parece modificarse en respuesta al tipo de sustrato en el que están

adheridas las células. Sí, resulta significativamente menor la fracción móvil en

membrana, respecto a las obtenidas en vidrio (cuyos recubrimientos no parecen afectar

los parámetros). Esto podría explicarse teniendo en cuenta un modelo propuesto por

Wolfenson et al.6, en el que se considera a las adhesiones focales como estructuras

elásticas multiproteicas sujetas a las fuerzas contráctiles de la célula (Figura 4.5) que

pueden deformar su estructura cambiando la distribución de los distintos sitios de unión

para las proteínas que las componen.

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

147

Figura 4.5. Modelo de sitios de unión en adhesiones focales. Las FAs se representan como estructuras

elásticas en las que las moléculas se ligan de manera transiente, intercambiándose con otras moléculas

fuera de las FAs (estructuras verdes y rojas en el esquema). Cuando la célula es sometida a una fuerza

(indicada por la flecha en A), la FA puede cambiar el número, la conformación y/u organización de los

sitios de unión y con respecto del estado en ausencia de fuerza (B) .

Mediante este modelo, el resultado de la acción de una fuerza sería la exposición

de nuevos sitios de unión anteriormente inaccesibles. En este sentido, la presencia de

nuevos sitios de unión con tiempos de residencia largos podría explicar los cambios en

la fracción móvil de la zixina.

4.5 Conclusiones

Como primera conclusión, pudimos registrar la recuperación de la fluorescencia

luego del fotoblanqueo, revelando el comportamiento dinámico de las proteínas de las

FAs estudiadas. Las curvas de recuperación de las cuatro proteínas estudiadas, zixina,

paxilina, FAK y vinculina se ajustaron adecuadamente al modelo propuesto por Lele,

avalando la hipótesis de que este proceso de recuperación depende sólo de las

constantes de disociación.

Los valores de kOFF obtenidos para las distintas proteínas en células HC11

cultivadas sobre colágeno indicarían que zixina y una población de vinculina poseen

una disociación más lenta, que implica un mayor tiempo de residencia de dichas

proteínas en la adhesión. Para la zixina, este resultado podría estar asociado a la

participación de la proteína en FAs maduras, lo cual se refuerza con el hecho de que la

fracción de moléculas móviles de zixina en las FAs es menor. Ambas observaciones

permiten postular que la asociación/disociación de zixina a las FAs podría ser, en

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

148

comparación con las otras proteínas estudiadas, un evento menos dinámico, tal vez

relacionado con su participación en FAs estables en el tiempo.

Con respecto a la vinculina, la población rápida presenta un kOFF un orden de

magnitud mayor que el resto de las proteínas. Este resultado podría estar relacionado

con el hecho de que la vinculina es una de las primeras proteínas en reclutarse en la

formación de nuevas adhesiones. Entonces es esperable que exista una fracción de la

vinculina que esté disponible para responder rápidamente a cambios fisicoquímicos en

la célula. Por otra parte, la población lenta de vinculina estaría asociada a un proceso

menos dinámico como es conformar una FA madura. En este sentido, los resultados de

FRAP aquí mostrados indicarían que la mayor proporción de esta proteína forma parte

de la población lenta, en concordancia con haber realizado los experimentos en FAs

maduras.

Utilizando el estirador mecánico y las células HC11 cultivadas en membranas de

silicona recubierta con fibronectina, y expresando la proteína zixina-EGFP, se mostró

que en respuesta a una fuerza mecánica externa se produce un aumento en el área de las

adhesiones, lo que sugiere el reclutamiento de la proteína zixina en las FAs. Estudios

previos muestran cómo las células cultivadas sobre un sustrato blando, a saber: a) un

sustrato de silicona elástica (PDMS) que es estirado cíclicamente en una dirección, o b)

sobre un sustrato de poliacrilamida que es deformado localmente con una aguja de

vidrio, presentan una acumulación de zixina en las FAs y una movilización de esta

proteína hacia las fibras de actina7. Cabe mencionar que en estos experimentos las

células son visualizadas por microscopía de fluorescencia luego de ser fijadas

químicamente, no son mediciones in situ. Nuestros resultados sumados al hecho de que

1) la proteína zixina está localizada principalmente en las adhesiones focales, el sitio

donde se piensa que reside el mecanosensor8, 2) sirve de andamiaje o plataforma en la

FA al unirse/reclutar a varias proteínas tales como �-actinina y miembros de la familia

Ena/VASP9; 3) interacciona directamente con la proteína p130Cas que es potencialmente

una molécula mecanosensora10; 4) su asociación con los extremos de las fibras de actina

y su capacidad de promover el ensamblado del filamento de actina son consistentes con

su participación en la remodelación del citoesqueleto en respuesta a una carga

mecánica11; 5) que el estiramiento cíclico y la relajación del sustrato promueven la

translocación de la zixina desde las FAs hacia los filamentos de actina4 y el núcleo12,

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

149

nos permiten definir a la proteína zixina como una molécula mecanosensitiva y sugerir

que es fundamental en la respuesta de la célula a una fuerza mecánica.

Para enmarcar nuestros experimentos dentro de los numerosos estudios cinéticos

por FRAP en adhesiones focales reportados en la literatura, confeccionamos la tabla

4.4, en la que se presentan los valores de tiempo medio medidos en este trabajo de tesis

para células HC11, y los informados en la literatura para diferentes tipos celulares, para

las cuatro proteínas adhesivas estudiadas: zixina, paxilina, FAK y vinculina.

Proteína

Células HC11

Publicado en la literatura

Tipo de célula

Zixina 39 ± 4 7.1 ± 0.4 células de endotelio capilar 13

2.8 células HeLa 4

Paxilina 9 ± 1 17.8 ± 1.3 células de endotelio capilar 2

15.3 fibroblastos de embrión de ratón14

41 carcinoma de ratón F9 15

9.1 células HeLa 4

11 fibroblastos NIH 3T3 16

7 células epiteliales LLC-PK1 17

FAK 11 ± 1 6.8 ± 0.7 células de endotelio capilar 2

16.3 ± 2.7 astrocitos humanos 18

17.0 ± 4.0 astrocitos humanos 19

5 células epiteliales LLC-PK1 6

Vinculina 85 ± 17 y 2.5 ± 0.5 11.6 ± 1.7 y 0.72 ± 0.01 células de endotelio capilar 2

8.8 fibroblastos de embrión de ratón2

83 carcinoma de ratón F9 6

8.9–36.2 células PtK1 20

40.1 células HeLa 4

13.0 ± 2 .0 osteoblastos primarios bovinos 21

17 fibroblastos de ratón NIH 3T3 7

20 fibroblastos de ratón NIH 3T3 22

Tabla 4.4. Cinética de disociación de las proteínas de adhesión focal, t1/2: comparación de los

resultados de este trabajo de tesis y la literatura. Tiempos de residencia medios obtenidos por FRAP

en células HC11 en este trabajo de tesis (columna 2) y en otros trabajos de la literatura (columnas 3 y 4).

Se indica en cada caso el tipo celular estudiado.

Es evidente que para las mismas proteínas de adhesión focal las diferencias en

escala de tiempo son grandes para los distintos tipos celulares. Esto podría ser

indicativo de la naturaleza de las interacciones moleculares presentes en las adhesiones

focales en cada tipo celular. Si repasamos los distintos tipos celulares en la tabla, vemos

por ejemplo que para la proteína FAK en astrocitos humanos, dos grupos de

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

150

investigación obtuvieron valores similares (de 16.3 y 17.0 s), mientras que para

vinculina expresada en fibroblastos de ratón también el t1/2 es equivalente (17 y 20 s).

En conclusión, en este capítulo fue posible determinar un parámetro cinético

molecular en células vivas, que es característico de cada proteína con el complejo

multiproteico presente en una AF. Esta unión podría estar mediada por la interacción

con varias proteínas diferentes, y por lo tanto los parámetros determinados podrían ser

una resultante de distintas afinidades de interacción, estequiometría, heterogeneidad

bioquímica, mecanismos alostéricos, entre otras variables. La utilización de esta

metodología en un contexto en donde se aplican estímulos mecánicos, nos permite

estudiar en células vivas cómo se modifican las propiedades cinéticas de las proteínas

pertenecientes a las AFs, aportando información esencial para la comprensión del

proceso de la mecanotransducción celular.

4.6 Referencias

1 Axelrod D, Koppel DE, Schlessinger J, Elson E, Webb W.W., Biophys J. 16:1055 (1976);

Butler P.J., Tsou T., Zi-Shuan Li J., Usami S., and Chien S., The FASEB Journal 10.1096/fj.01-

0434 (2001). 2 Lele T. P., Thodeti C. K., Pendse J., Ingber D. E., Biochemical and Biophysical Research

Communications 369: 929 (2008) 3 Lele T. P., Thodeti C. K. and Ingber D. E., J Cell Biochem 97:1175 (2006). 4 Zaidel-Bar, R., Itzkovitz, S., Ma’ayan, A., Iyengar, R. and Geiger, B., Nat. Cell Biol.

9, 858 (2007). 5 Zamir, E., Katz, B. Z., Aota, S., Yamada, K. M., Geiger, B. and Kam, Z., J. Cell Sci.

112: 1655 (1999). 6 Wolfenson H., Bershadsky A., Henis Y. I. and Geiger B., J Cell Sci 124:1425 (2010). 7 Yoshigi, M., Hoffman, L. M., Jensen, C. C., Yost, H. J. and Beckerle, M. C., J. Cell

Biol. 171, 209 (2005); Hirata, Hiroaki, Hitoshi Tatsumi and Masahiro Sokabe,J Cell Sci

121:2795 (2008). 8 Bershadsky, A.D., N.Q. Balaban, and B. Geiger, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 19:677 (2003). 9 Beckerle, M.C., Bioessays 1997, 19:949; Drees, B., Friederich, E., Fradelizi, J., Louvard, D.,

Beckerle, M. C. and Golsteyn, R. M., J. Biol. Chem. 2000, 275: 22503; Ronen Zaidel-Bar, Shalev

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4. Determinación de constantes cinéticas de disociación de proteínas de las FA mediante FRAP

151

Itzkovitz, Avi Ma’ayan, Ravi Iyengar and Benjamin Geiger, Nat. Cell Biol. 9: 858, (2007);

Moody, J. D., J. Grange, M. P. Ascione, D. Boothe, E. Bushnell, and M. D. Hansen, Biochem.

Biophys. Res. Commun. 378:625 (2009). 10 Yi, J., S. Kloeker, C.C. Jensen, S. Bockholt, H. Honda, H. Hirai, and M.C. Beckerle, J.

Biol.Chem. 277:9580 (2002). 11 Fradelizi, J., V. Noireaux, J. Plastino, B. Menichi, D. Louvard, C. Sykes, R.M. Golsteyn, and E.

Friederich, Nat. Cell Biol. 2001, 3: 699; Masaaki Yoshigi, Laura M. Hoffman, Christopher C.

Jensen, H. Joseph Yost, and Mary C. Beckerle, J Cell Biol, 171: 209 (2005). 12 Cattaruzza, M., Lattrich, C. and Hecker, M., Hypertension 43, 726 (2004). 13 Lele T. P., Pendse J., Kumar S., Salanga M., Karavitis J., Ingber D. E., J Cell Physiol 207:187

(2006). 14 von Wichert G., Haimovich B., Feng G. S., Sheetz M. P., Embo J 22:5023 (2003). 15 Cohen D. M., Kutscher B., Chen H., Murphy D. B., Craig S. W., J Biol Chem 281:16006

(2006). 16 Deakin N. O., Ballestrem C., Turner C. E., PLoS ONE 7(5): e37990 (2012). 17 Le Dévédec S. E., Geverts B., de Bont H., Yan K., Verbeek F. J., Houtsmuller A. B., van de

Water B., J. Cell Biol 125:4498 (2012). 18 Hamadi A., Bouali M., Dontenwill M., Stoeckel H., Takeda K., Ronde P., J Cell Sci 118:4415

(2005). 19 Giannone G., Ronde P., Gaire M., Beaudouin J., Haiech J., Ellenberg J., Takeda K., J Biol

Chem 279:28715 (2004). 20 Gupton S.L. , Waterman-Storer C. M., Cell 125:1361 (2006). 21 Tan L., Meyer T., Pfau B., Hofmann T., Tan T.W., Jones D. J Musculoskelet Neuronal

Interact 10(1):92 (2010). 22 Humphries J. D., Wang P., Streuli C., Geiger B., Humphries M. J., and Ballestrem C., J Cell

Biol, 179: 1043 (2007).

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Capítulo 5

Determinación del estado de agregación de

proteínas de adhesiones focales en

células vivas por Número y Brillo (N&B)

En este capítulo describo la utilización de la técnica Número y Brillo (N&B) para el

estudio del estado de agregación de proteínas que componen las adhesiones focales en

células HC11. Estudiamos el estado de agregación y concentración de las proteínas

zixina, paxilina, FAK y vinculina. Para la zixina, estudiamos la respuesta de su estado

de agregación ante un estímulo mecánico utilizando el estirador mecánico.

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5. Determinación del estado de agregación de proteínas de FA en células vivas por N&B

155

5.1 Introducción

La técnica N&B1 se basa en el análisis de las fluctuaciones de la intensidad de la

fluorescencia en cada píxel de una secuencia de imágenes confocales. Como se

desarrolló en la sección II.2.5c, el grado de agregación de moléculas fluorescentes está

relacionado con la media y la varianza de la distribución de intensidades, por lo que el

análisis de N&B de una imagen permite distinguir píxeles con pocas moléculas muy

brillantes de píxeles con muchas moléculas de menor intensidad. Mediante esta técnica

es posible estudiar el estado de agregación de las proteínas y su concentración en células

vivas.

En nuestros experimentos hemos visto que, en respuesta al estiramiento

mecánico, las adhesiones focales de las células HC11 (marcadas con zixina-EGFP)

cambian su morfología y se reorientan. Se produce el ensamblado de nuevas FA,

mientras otras se desensamblan total o parcialmente en respuesta al estiramiento.

Resulta por lo tanto de gran interés analizar el estado de agregación de las proteínas en

respuesta a este tipo de estímulos, dado que se ha propuesto el reclutamiento y

agregación de proteínas de las FAs (en particular ha sido estudiado para las integrinas2)

durante la formación de las FAs. N&B aparece entonces como una técnica perfecta para

este tipo de experimentos.

5.2 N&B en adhesiones focales. Experimento y análisis.

Implementamos la técnica N&B en células HC11 transfectadas con las

construcciones de zixina, paxilina, FAK y vinculina unidas a la EGFP. El experimento

consiste en tomar una secuencia de imágenes y analizar para cada píxel de la imagen

tanto el valor medio de la intensidad como la varianza, y a partir de los mismos los

valores de número aparente N y brillo aparente B de las proteínas (o agregados de las

mismas) estudiadas. En la Figura 5.1 se presenta un esquema del experimento de N&B

en adhesiones focales: a partir de una secuencia de imágenes (A) de algunas FAs en el

borde de una célula HC11 (marcadas con zixina-EGFP) se analiza para cada píxel de la

secuencia la media y la varianza para calcular N y B. Se realiza un histograma

bidimensional de N vs. B (B) en el que se correlacionan los valores de N y B obtenidos

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5. Determinación del estado de agregación de proteínas de FA en células vivas por N&B

156

para cada píxel de la imagen, asignando una escala de colores a los puntos del mapa en

el que el color representa la cantidad de píxeles cuyos valores de N y B coinciden en ese

lugar del histograma. En el mapa N vs. B se observa la presencia de diferentes

poblaciones (en el ejemplo son 3 poblaciones), las cuales se pueden corresponder en la

imagen seleccionando las tres regiones en el mapa y asignando colores en la imagen a

los píxeles que provienen de cada región seleccionada (C). En este caso se ve que las

tres regiones en las FAs corresponden al background (rojo), al citoplasma (verde) y a

las FAs (azul). Finalmente se analiza el valor de B de cada región haciendo un

histograma (D). Teniendo en cuenta que para las regiones donde no hay dinámica el

valor de B es de la unidad, se comparan las diferencias (o el brillo verdadero �) teniendo

en cuenta el valor calibrado para la proteína monomérica. La fracción entre el brillo

medido y el brillo de la proteína monomérica (�medido/ �mGFP) es justamente el número

de agregación.

Mapa N vs. B

t

B

Histograma de B

Mapa N vs. B

t

B

Histograma de B

A B

C D

Figura 5.1 Análisis de N&B en adhesiones focales de HC11 marcadas con zixina-EGFP. A Se

registra una secuencia de imágenes en función del tiempo. B A través del análisis de la media y la

desviación de la intensidad se obtienen N y B, y se confecciona el histograma 2D de N vs. B, en el que se

diferencian tres regiones bien marcadas. C Píxeles de la imagen correspondientes a cada región de B:

ruido de fondo (rojo), citoplasma (verde) y adhesiones focales (azul). D Histograma de B en cada una de

las regiones.

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5. Determinación del estado de agregación de proteínas de FA en células vivas por N&B

157

Como se mencionó en la sección II.2.5c, el tiempo por píxel utilizado para tomar

las imágenes debe ser lo suficientemente corto para no promediar las fluctuaciones

debidas a la entrada y salida de las moléculas en el volumen confocal iluminado.

Además, el tiempo entre imágenes debe ser suficiente para que las mediciones de

intensidad en el tiempo sean independientes entre sí. En los experimentos presentados

en este capítulo tomamos secuencias de 100 imágenes de 256x256 píxeles, con un

tiempo por píxel de 10 µs y un tiempo por imagen de 0.98 s. El tamaño del píxel de los

datos medido fue de entre 20 y 100 nm.

Todos los datos fueron tomados en el microscopio confocal FV1000 espectral de

Olympus. Utilizamos un objetivo de inmersión en aceite 60X 1.35 NA (Olympus) en el

caso de los experimentos en cubreojetos, mientras que para los experimentos en

membrana utilizamos un objetivo de aire 40X 0.75 NA (Zeiss). Se trabajó en el modo

pseudo-conteo de fotones, para lo cual inmediatamente después de cada experimento se

adquirieron otras 100 imágenes con el láser obturado para estimar el factor de

calibración S. Se trabajó con la cámara ambiental a 37°C, luego de esperar

aproximadamente 120 minutos para que se estabilicen tanto la temperatura como los

detectores.

Dado que para N&B trabajamos únicamente con la GFP como fluoróforo, se

iluminó con la línea de 488 nm del láser de argón del microscopio. Las secuencias de

imágenes fueron totalmente analizadas mediante una rutina escrita en la plataforma

Matlab.

Se descartaron las mediciones que presentaron un fotoblanqueo mayor al 15%,

para no realizar correcciones por fotoblanqueo. Por otro lado, se corroboró en cada caso

que el histograma de intensidad no presente saturación (i.e. que las intensidades

medidas den cuenta de las fluctuaciones por la entrada y salida de moléculas del

volumen confocal).

Calibración del brillo molecular del monómero

Se calibró el brillo molecular del monómero de GFP utilizando como muestra

una gota de solución 50 nM de mGFP en buffer TRIS 10mM 1% BSA (se agrega al

buffer la proteína BSA para evitar que se formen agregados en la solución), sobre un

cubreobjetos. En la Figura 5.2 se presenta la calibración para diferentes potencias del

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5. Determinación del estado de agregación de proteínas de FA en células vivas por N&B

158

láser de excitación, donde puede verse la relación lineal esperada del brillo molecular

con la potencia (lo que indica además que con los niveles de intensidad medidos

estamos por debajo del nivel de saturación).

3 4 5 6 7 8 90.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

Bril

lo m

olec

ular

mG

FP

Potencia (µ Watt) Figura 5.2 Calibración del brillo molecular (�mGFP) del monómero. Se presenta el brillo molecular

obtenido en una de las calibraciones, en función de la potencia láser utilizada. Se puede ver que la

dependencia del brillo con la potencia se corresponde con la relación lineal esperada.

La calibración del monómero se realizó en todas las condiciones de potencia y

tiempos utilizadas en los experimentos, y tanto en cubreobjetos como en membranas de

silicona. Es importante que la calibración se realice periódicamente, ya que aunque se

trabaje con los mismos niveles en porcentaje de potencia láser, ésta puede variar en el

transcurso de días/semanas. En el caso particular del microscopio utilizado en este

trabajo, el láser de argón con el que cuenta ya tiene varios años de funcionamiento y se

ha observado que su potencia en el último tiempo ha decaído notablemente. Por esta

causa, la calibración del monómero se realizó semanalmente.

5.3 Caracterización del estado de agregación de proteínas de las adhesiones focales

Mediante la técnica N&B se estudió el estado de agregación de las proteínas

FAK, paxilina, vinculina y zixina, en adhesiones focales de células HC11 cultivadas

sobre cubreobjetos recubiertos con fibronectina, y en estado de equilibrio (no sometidas

a estímulos mecánicos externos). En la Figura 5.3 presentamos resultados

representativos para las proteínas paxilina y vinculina. En el caso de paxilina, se puede

ver que el máximo del histograma en B correspondiente a la región del citoplasma y el

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5. Determinación del estado de agregación de proteínas de FA en células vivas por N&B

159

de las FAs se encuentra en el mismo valor. Para el ejemplo de vinculina se puede

observar un corrimiento en el valor máximo de B en las FAs respecto del citoplasma, lo

que indicaría un estado de agregación mayor. Además de cuantificar el valor de B,

realizamos un mapa de N, que nos da idea de la distribución de proteína en las FAs en

términos de concentración.

1 2 30

100

200

300

400

500

600

1 µm

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

6

7

0 1 20

200

400

600

800

B

1 µm

Vinculina

Paxilina

A

D

B C

D E

1 2 30

100

200

300

400

500

600

1 µm

1

2

3

4

5

1 2 30

100

200

300

400

500

600

1 µm

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

6

7

0 1 20

200

400

600

800

B

1 µm

1

2

3

4

5

6

7

0 1 20

200

400

600

800

B

1 µm

Vinculina

Paxilina

A

D

B C

D E

Figura 5.3 N&B en adhesiones focales de HC11 marcadas con paxilina-GFP y vinculina-GFP. Mapa

de N, histogramas de B de las distintas regiones y regiones coloreadas en la imagen para paxilina (A-C) y

vinculina (D-F). Las regiones corresponden a ruido de fondo (azul), citoplasma (verde) y adhesiones

focales (rojo).

En la Tabla 5.1 se muestran los resultados generales para las cuatro proteínas

estudiadas, a partir de una estadística en diferentes células.

proteína

# células

# FA

%

�citoplasma/�mGFP

�FA/�mGFP

NFA/Ncitoplasma

50 % 4.0 ± 0.6 2.8 ± 0.4 5.5 ± 1.5

Vinculina

6

8 50 % 2.7 ± 0.4 2.3 ± 0.4 4.6 ± 1.1

Paxilina 4 6 100 % 3.2 ± 0.7 2.7 ± 0.9 4.3 ± 0.9

FAK 4 14 100 % 1.8 ± 0.4 1.8 ± 0.3 3.7 ± 1.1

Zixina 4 7 100 % 2.4 ± 0.2 2.2 ± 0.4 5.7 ± 1.3

Tabla 5.1. Resumen de estado de agregación de proteínas de las FA. Datos promediados de los brillos

moleculares relativos de la región de la FA y citoplasma con respecto al del monómero y su diferencia. Se

indican número de células analizadas y número de FA analizadas en cada caso. En la última columna se

presenta el promedio del cociente entre el número aparente de proteínas en la FA con respecto al del

citoplasma. Se consideró como error la desviación estándar de los datos.

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5. Determinación del estado de agregación de proteínas de FA en células vivas por N&B

160

Para paxilina, FAK y zixina el comportamiento fue similar en todas las células

estudiadas, resultando en un estado de agregación de aproximadamente 2 (presencia de

dímeros) tanto en el citoplasma como en las adhesiones focales. Para vinculina sin

embargo, observamos dos comportamientos: en la mitad de los experimentos estaría

formando dímeros tanto en las FA como en el citoplasma, mientras que en la otra mitad

estaría agregada en tetrámeros en las FA.

vinculin 1 vinculina 2 Pax FAK Zyx1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

Est

ado

de A

greg

aci�

n

Estado de agregaci � n en la AF Estado de agregaci � n en el citoplasma

Figura 5.4. Análisis del estado de agregación de proteínas de las FAs. Datos promediados de los

brillos moleculares relativos de la región de la FA y citoplasma con respecto al del monómero. Las barras

de error representan la desviación estándar.

En la Figura 5.4 se presentan estos resultados de forma gráfica. Como puede

verse, salvo en el primer caso de la vinculina, las proteínas se encontrarían en general en

el mismo grado de agregación en el citoplasma que en la FA. Parecería que se trata de

un agregado dimérico, pudiendo ser un trímero en el caso de la paxilina. Vinculina 1 y

vinculina 2 se refieren en este gráfico a los dos comportamientos encontrados para la

vinculina, los cuales fueron analizados de manera separada. Se observa claramente que

una de las poblaciones de vinculina se encuentra en la adhesión focal en un estado de

agregación mayor que en el citoplasma. Este resultado podría estar relacionado con el

hecho de que la vinculina presentaría sitios de unión a vinculina3.

La concentración de las proteínas obtenida del análisis de los valores de N,

resultó ser entre 4 y 6 veces mayor en la FA que en el citoplasma.

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5. Determinación del estado de agregación de proteínas de FA en células vivas por N&B

161

5.4 Estudio del estado de agregación de la proteína de adhesiones focales zixina en

respuesta a un estímulo mecánico

Para la proteína zixina, postulada como una de las sensoras de la fuerza,

estudiamos la respuesta en el estado de agregación antes y después de aplicar un

estiramiento mecánico. En la Figura 5.5 se muestra una célula HC11 marcada con

zixina-GFP antes y después de aplicársele una tensión correspondiente a una vuelta del

estirador (correspondiente a un estiramiento radial de aproximandamente el 4%). Se

puede observar que en respuesta al estiramiento algunas adhesiones focales se

desensamblan total (1) o parcialmente (2), otras aumentan su volumen e intensidad (3-

4), algunas mantienen su intensidad constante (5) mientras que también se forman

adhesiones nuevas (6). También se observa una orientación particular del general de las

adhesiones.

1

2 2

3 3

4 4

5 5

6

tensión inicial + tensión

Figura 5.5. Respuesta de la proteína zixina en adhesiones focales ante un estiramiento mecánico. Se

puede observar que en respuesta al estiramiento algunas adhesiones focales se desensamblan total (1) o

parcialmente (2), otras aumentan su volumen e intensidad (3-4), algunas mantienen su intensidad

constante (5) mientras que también se forman adhesiones nuevas (6). También se observa una orientación

particular del general de las adhesiones. Las tablas debajo de cada figura presentan los resultados sobre el

estado de agregación y número de moléculas de cada región marcada.

región εcitoplasma/εmGFP εFA/εmGFP NFA/Ncitoplasma

1 3.65 ± 0.26 10.96 ± 0.76 3.45 ± 0.20

2 3.27 ± 0.23 0.96 ± 0.07 2.56 ± 0.15

3 3.65 ± 0.26 5.38 ± 0.38 3.70 ± 0.22

4 2.88 ± 0.20 6.54 ± 0.46 2.78 ± 0.17

5 3.65 ± 0.26 2.88 ± 0.20 3.22 ± 0.19

región εcitoplasma/εmGFP εFA/εmGFP NFA/Ncitoplasma

3 1.34 ± 0.09 0.96 ± 0.07 3.70 ± 0.22

4 3.85 ± 0.27 3.65 ± 0.26 2.86 ± 0.17

5 4.2 ± 0.29 3.85 ± 0.27 2.86 ± 0.17

6 1.54 ± 0.11 1.15 ± 0.08 3.33 ± 0.20

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5. Determinación del estado de agregación de proteínas de FA en células vivas por N&B

162

En la Figura 5.6 se presentan los resultados de número y brillo promedio para

las regiones indicadas en la Figura 5.5. Los datos corresponden al estado de agregación

en citoplasma y FA, antes y después del estiramiento, mientras que se comparó el

número de moléculas (o agregados) en las adhesiones respecto del citoplasma para las

dos situaciones de tensión. Observamos que la relación entre la concentración de zixina

en las FA respecto de la concentración en citoplasma permanece constante después del

estiramiento y es aproximadamente tres veces más concentrada en las adhesiones. El

estado de agregación tiende a mantenerse constante o bien decrecer en algunas de las

FA después de aplicarse la fuerza mecánica.

0

1

2

3

4

5

6

7

54

ε/ε m

GF

P

Citoplasma 0 vueltas FAs 0 vueltas Citoplasma 2 vueltas FAs 2 vueltas

Region3

Figura 5.6. Cuantificación del brillo de agregados de zixina ante un estiramiento mecánico. Se

analizaron las regiones 3, 4 y 5 marcadas en la Figura 5.4. Las barras en fondo blanco corresponden al

estado de agregación en citoplasma, mientras que en color se representa el estado de agregación en las

FAs para la tensión inicial (gris) y al aplicarse dos vueltas de estiramiento (rojo) para la tensión inicial. El

estado de agregación tiende a mantenerse constante o bien decrecer en algunas de las FA después de

aplicarse la fuerza mecánica.

5.5 Estado de agregación de la proteína zixina durante el desensamblado de una

adhesión focal

Después de aplicar el estímulo mecánico un pequeño conjunto de adhesiones

focales se desensambló. Pudimos medir la secuencia temporal de 100 imágenes durante

el desensamblado y aplicar el método de N&B separando las primeras 24 imágenes

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5. Determinación del estado de agregación de proteínas de FA en células vivas por N&B

163

(antes del desensamblado) las últimas 63 (una vez desensambladas las FAs).

Analizamos el estado de agregación de zixina en las adhesiones y citoplasma antes de

desensamblarse las FAs y su estado de agregación en el citoplasma luego de

desensamblada la adhesión. En la Figura 5.7 se pueden ver algunas imágenes de la

secuencia de desensamblado, así como el análisis de N&B antes y después del mismo.

A

B C

B B

A

B C

B B

�/�mGFP

1.56 ± 0.02�/�mGFP

3.85 ± 0.02

Figura 5.7 Desensamblado de adhesiones focales marcadas con zixina-GFP. A Secuencia de

imágenes que muestra el desensamblado de un grupo de adhesions focales, separadas temporalmente 9.78

segundos. Del arreglo de 100 imágenes, analizamos mediante el método de N&B las primeras 24

imágenes (FAs formadas) y las últimas 63 (FAs ya desensambladas). Para antes (B) y después (C) del

desensamblado, presentamos las regiones analizadas y los histogramas de B en cada caso. Los valores de

brillo obtenidos (respecto del brillo de mGFP) sugieren que la zixina se agrega en la parte más interna de

la célula después del desensamblado de la adhesión focal.

En este caso se analizó el brillo promedio en la célula (tomando FAs y

citoplasma) respecto del valor del background. El estado de agregación promedio (valor

del brillo relativo al del monómero) pasó de un valor de (1.56 ± 0.02) antes del

desensamblado a ser (3.85 ± 0.02) cuando ya no hay adhesiones. Este resultado

indicaría que durante el desensamblado de las FAs, la proteína zixina se agrega en una

zona interior de la célula. Esto concuerda con un experimento realizado por Yoshigi y

colaboradores, quienes encontraron que la zixina transloca a los filamentos de actina4.

Los resultados aquí presentados demuestran que este tipo de experimentos nos permiten

investigar el estado de agregación de las proteínas de las FAs en células vivas, y su

respuesta ante un estímulo mecánico.

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5. Determinación del estado de agregación de proteínas de FA en células vivas por N&B

164

5.6 Conclusiones

La técnica Número y Brillo fue implementada con éxito para determinar el

estado de agregación de las proteínas de las adhesiones focales zixina, paxilina, FAK y

vinculina, en células vivas de la línea HC11.

En el caso del estudio de las proteínas de adhesión paxilina, FAK y zixina, todas

las mediciones analizadas dan resultados similares entre sí, que indicarían que estas

proteínas se encuentran en el mismo grado de agregación en el citoplasma que en la FA

para esta línea celular. Parecería que se trata de un agregado dimérico, pudiendo ser un

trímero en el caso de la paxilina. La concentración de dichas proteínas resultó entre 4 y

6 veces mayor en la FA que en el citoplasma.

Con respecto a la vinculina, se encontraron dos tipos de casos con la misma

probabilidad: en el 50% de las mediciones analizadas el estado de agregación del

citoplasma y FA es el mismo, mientras que en el otro 50% de los casos se observa una

diferencia, indicando un estado de agregación mayor en la FA. Esto podría estar

relacionado con que la vinculina tiene sitios de unión para vinculina. En todos los casos

la concentración en la FA es 5 - 6 veces mayor que en el citoplasma.

En cuanto al estiramiento de las células, fue posible cultivar células HC11 en

membranas elásticas de silicona cubiertas con fibronectina y transfectarlas para la

expresión de zixina unida a EGFP. La técnica N&B fue exitosamente aplicada en estos

cultivos, y fuimos capaces de estudiar in vivo la misma célula antes y después de aplicar

el estiramiento. Observamos que en respuesta al estímulo mecánico las adhesiones

focales pueden remodelarse cambiando su morfología inicial, y también desensamblarse

total o parcialmente. También vimos una orientación determinada de las FA después del

estiramiento, así como la formación de adhesiones nuevas.

Analizamos el estado de agregación de la proteína zixina antes y después del

estiramiento, obtuvimos que en general en las adhesiones focales el estado de

agregación permanece constante o bien decrece luego del estímulo. Por otro lado,

nuestros resultados indicarían que, durante el desensamblado de las FA, la proteína

zixina se agrega en una zona interior de la célula. Esta observación estaría en

concordancia con resultados ya informados por otros grupos.

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5. Determinación del estado de agregación de proteínas de FA en células vivas por N&B

165

5.7 Referencias

1 Digman, M. A., Dalal, R., Horowitz, A. F. and Gratton, E., Biophys. J. 94: 2320 (2008). Dalal

R. B., Digman M.A., Horwitz A. F., Vetri V., and Gratton E., Microscopy Res. And Tech. 71: 69

(2008). 2 Roca-Cusachs P., Gauthier N.C., del Rio A. and SheetzM.P., PNAS 106: 16245 (2009). 3 Humphries J. D., Wang P., Streuli C., Geiger B., Humphries M. J., and Ballestrem C., J. Cell

Biol. 179: 1043 (2007). 4 Yoshigi M. et al., J. Cell Biol. 171: 209 (2005).

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Capítulo 6

Sensor de tensión de vinculina: caracterización de

fuerzas mecánicas en células vivas por FRET

En este capítulo describo la utilización de la técnica de transferencia de energía

resonante de Förster (FRET) para el sensado de fuerzas mecánicas en la célula a través

de la utilización de un sensor intramolecular para la proteína de adhesión vinculina.

Presento también el análisis del estado tensional de la vinculina en respuesta al

estiramiento mecánico de las células.

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6. Sensor de tensión de vinculina: caracterización de fuerzas mecánicas por FRET

169

6.1 Introducción

La utilización de sensores de FRET intramoleculares ha resultado de gran interés

dado que permite medir cambios conformacionales per se de algunas proteínas, así

como también cambios conformacionales que pueden ser asociados a distintos tipos de

actividad biológica, como puede ser la activación de algunas enzimas. Por ejemplo,

existen numerosos sensores basados en FRET para determinar activación de GTPasas

de la familia Rho1.

En este capítulo describo la utilización de un biosensor molecular capaz de

sensar la tensión producida sobre una proteína específica en células vivas con

sensibilidad de pN. El biosensor se basa en la proteína vinculina, una de las proteínas de

adhesiones focales estudiadas en este trabajo, y a la cual se la considera como

responsable del acople mecánico entre las integrinas y los filamentos de actina del

citoesquleto. Además, se conoce que su reclutamiento en las FA depende de la fuerza2.

El sensor de tensión de vinculina

El grupo del Dr. Schwartz diseñó recientemente una técnica basada en

microscopía óptica que permite la medición de fuerzas en el orden de los pN a través de

distintas moléculas en una célula viva. Este método está basado en un efecto físico

como es la transferencia de energía resonante de Förster (FRET), la cual como tratamos

en la sección II.2.5a de este trabajo puede ocurrir entre dos fluoróforos adyacentes.

Basados en la dependencia de la eficiencia de FRET con la distancia, la estrategia

consistió en insertar entre los dos fluoróforos de la construcción un espaciador flexible.

Este espaciador peptídico deriva de la proteína de la seda de araña la cual puede ser

estirada por unos pocos pN. Así, las fuerzas en el sensor de tensión extenderían el

espaciador con lo que se separarían los fluoróforos, y la eficiencia de FRET se reduciría

(Figura 6.1 A-B). La insersión de este biosensor en proteínas de interés permite, como

se mencionó anteriormente, la visualización de la tensión a través de moléculas en

células vivas. Tanto el desarrollo como la caracterización del sensor de tensión

insertado en la proteína vinculina (Vin-TS) fueron realizados recientemente por el grupo

del Dr. Schwartz3. Sumado al sensor de tensión, diseñó también una molécula control

en la que la señal de FRET no respondería a la tensión (Figura 6.1 E) dado que no

posee la parte posterior de la vinculina (tail-less o Vin TL).

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6. Sensor de tensión de vinculina: caracterización de fuerzas mecánicas por FRET

170

Figura 6.1 Construcciones del sensor de tensión de Vinculina (VinTS). A El módulo sensor de tensión

(TSMod) consiste en dos fluoróforos separados por una secuencia espaciadora flageliforme (GPGGA)8. B

Cuando la fuerza sobre el TSMod extiende al espaciador elástico, la eficiencia de FRET decrece (f =

fuerza). C El sensor de tensión de vinculina (VinTS) consiste en el TSMod insertado luego del

aminoácido 883 de la molécula de vinculina. D Control vinculina–Venus (VinV). E Control de vinculina

que no es sensible a la fuerza (si la parte posterior de la molécula, tail-less o VinTL).

En la Figura 6.2 se presentan imágenes de la expresión del sensor en células

HC11, en los canales de la proteína fluorescente Turquesa (mTFP, derivado de CFP) y

la proteína fluorescente Venus (derivado de YFP) de manera independiente (tomados en

forma secuencial). Como puede verse, el sensor se expresa con mayor intensidad en las

adhesiones focales, en forma análoga a como se expresa el vector que codifica

vinculina-EGFP (imagen de la derecha).

Figura 6.2 Expresión del sensor de tensión de vinculina en células HC11. Las imágenes fueron

tomadas en los canales de mTFP (izquierda) y Venus (centro) de manera independiente (modo

secuencial) en el microscopio confocal FV1000 espectral. Derecha: células que expresan Vin-EGFP.

Barra 5µm.

> FRET

< FRET

linker elástico

> FRET

< FRET

linker elástico

A

B

C

D

E

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6. Sensor de tensión de vinculina: caracterización de fuerzas mecánicas por FRET

171

6.2 FRET por ratio-imaging

La técnica más simple de medir FRET se conoce como ratio-imaging, y refiere a

la medición del cociente entre imágenes. El experimento consiste en excitar con la

longitud de onda de excitación del dador, y registrar las imágenes tanto en el canal de

emisión del dador (ID) como en el del aceptor (IFRET, se denomina canal de FRET al

canal que resulta de iluminar con la longitud de onda de excitación del dador y adquirir

en la banda de emisión del aceptor). El cociente entre estas dos señales es lo que se

denomina FRET-ratio R (ecuación 6.1)

EI

IR

D

FRET ∝= 6.1

En el caso particular de los sensores intramoleculares, este cociente es

proporcional a la eficiencia de FRET (E) dado que la concentración relativa entre dador

y aceptor está fija. Esta medición no arroja un valor cuantitativo de la eficiencia de

FRET, ya que su valor absoluto no da información sobre la distancia a la que se

encuentran las moléculas. Sin embargo, resulta de mucha utilidad dado que dentro de la

misma célula se pueden cuantificar cambios relativos en la eficiencia de FRET. Por otro

lado, si las condiciones de expresión son las mismas y los parámetros de adquisición del

microscopio no se cambian, podemos cuantificar de forma relativa la eficiencia de

FRET entre células de distintos preparados.

Figura 6.3 Experimento de FRET por Ratio-imaging con el sensor de tensión vinculina en células

HC11. Iluminando con la línea de 458 nm (excitación de mTFP) se registran el canal de mTFP (A) y el

canal de FRET (o de emisión de Venus, B). Mediante la ecuación 5.1 se calcula el mapa del ratio R (C),

proporcional a la eficiencia de FRET. Barra 5 µm.

A B C

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6. Sensor de tensión de vinculina: caracterización de fuerzas mecánicas por FRET

172

En la Figura 6.3 se puede ver un ejemplo de experimento: se toman

simultáneamente los dos canales (mTFP y Venus), iluminando sólo con el láser de

excitación de mTFP (458 nm). Una vez tomadas las imágenes, se calcula píxel a píxel el

valor del FRET-ratio según la ec. 5.1, obteniendo como resultado una imagen o mapa

proporcional a la eficiencia de FRET. Antes de hacer el cociente entre las imágenes, se

le resta a cada una su ruido de fondo promedio (calculado como la intensidad media en

una región en la que no se ve célula). Se aplica también una máscara definiendo un

umbral de intensidad, para evitar calcular el R en zonas donde la intensidad es del orden

del background (en donde los valores de R calculados carecen de sentido fotofísico).

Las imágenes de células cultivadas en cubreobjetos fueron tomadas con una

lente objetivo de magnificación 60X, NA 1.35 de inmersión en aceite, UPlanSApo

(Olympus). Las imágenes de células crecidas en membranas de silicona fueron tomadas

con una lente objetivo 40X, NA0.95 de aire UPlanSApo (Olympus).

6.3 Controles por sangrado espectral

En este tipo de experimentos en los que se adquieren simultáneamente imágenes

de más de un canal, es muy importante tener en cuenta lo que se conoce como sangrado

espectral. El sangrado espectral (del inglés spectral bleed through) refiere a la emisión

de un fluoróforo que se detecta en el canal del otro y contribuye así con una parte de la

intensidad registrada que no corresponde al fluoróforo que se pretende visualizar en ese

canal.

En el caso de los fluoróforos mTFP y Venus, observamos que se produce un

sangrado de la emisión de mTFP en el canal de Venus. Esto conduce a que, aún sin la

presencia del fluoróforo Venus, tengamos una señal basal de FRET-ratio debida

únicamente al sangrado de la emisión de mTFP en el canal de Venus. En este sentido,

uno de los controles que se realizaron fue el de caracterizar el sangrado y cuantificar el

valor basal de R que el mismo produce. En la Figura 6.4 se muestran los resultados de

dicho control, realizado en una célula HC11 expresando vinculina-mTFP. Puede verse

que en el canal de Venus excitando con 515 nm (IVenus, C) la señal obtenida es la señal

de fondo. Sin embargo, al excitar con 458nm vemos fluorescencia tanto en el canal de

mTFP (ImTFP, A) como en el canal de Venus (IFRET, B). La señal en el canal de FRET

corresponde únicamente al sangrado. Se cuantificó entonces el FRET-ratio por sangrado

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6. Sensor de tensión de vinculina: caracterización de fuerzas mecánicas por FRET

173

(Fig. 6.4 C), obteniendo una valor medio de 0.9 (y una desviación de 0.7). Observamos

que el valor de R en las adhesiones focales resulta uniforme.

Figura 6.4 Señal de FRET-ratio basal por sangrado espectral. Estudio de una célula HC11 expresando

Vinculina-mTFP. Iluminando con la línea de 458 nm se registran el canal de mTFP (A) y el canal de

FRET (B). Mediante estas dos imágenes se obtiene el mapa de R (C). Mediante la ecuación 5.1 se calcula

el mapa del ratio R (C). Iluminando con el láser de 515nm en el canal de Venus no se obtiene señal (D).

Barra 5 µm.

Para corroborar independientemente que la señal de FRET-ratio medida a partir

de la construcción Vin-TS corresponde a la transferencia de energía entre los

fluoróforos que la componen, realizamos un control por fotoblanqueo del aceptor.

Dicho control consistió en hacer el experimento usual, fotoblanquear el aceptor con el

láser de 515 nm hasta que no sea más detectable, y repetir el experimento sin aceptor.

En la Figura 6.5 se presentan las imágenes de una región de una célula HC11

expresando en sensor Vin-TS, antes (A) y después (B) de fotoblanquear el aceptor. Para

corroborar que el aceptor se haya fotoblanqueado, se tomaron imágenes en el canal

Venus (IVenus, iluminando con 515nm) antes y después de fotoblanquearlo.

Podemos apreciar que la señal de R disminuye claramente al fotoblanquear por

lo que podemos decir que el R medido tiene una contribución en la transferencia de

A B

C D

ImTFP IFRET

IVenus R

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6. Sensor de tensión de vinculina: caracterización de fuerzas mecánicas por FRET

174

energía real. Al destruir fotofísicamente al aceptor, el valor del FRET-ratio decae al

valor basal esperado debido al sangrado.

Figura 6.5 Control por fotoblanqueo del aceptor. Célula HC11 expresando la construcción Vin-TS

antes (A) y después (B) de fotoblanquear el aceptor. ImTFP corresponde al canal de mTFP e IFRET al canal

de Venus, ambos iluminados con 458nm. IVenus corresponde al canal de Venus iluminado con 515nm. R es

el mapa de FRET-ratio, el cual da un valor medio de 1.37 (desviación estándar 0.84) antes de

fotoblanquear el aceptor; mientras que en ausencia de aceptor da un valor medio de 1.19 (desviación

estándar 0.73). Barra 2 µm.

Cabe aclarar que, como puede verse, fue imposible no fotoblanquear también en

una proporción al dador (aproximadamente un 30% de la intensidad inicial). Este hecho

no interfiere con nuestro control dado que el sangrado es proporcional a la intensidad

del dador. Por lo tanto, el cociente entre los canales debido al sangrado se debería

mantener constante, lo que se corrobora al obtener luego de fotoblanquear el aceptor el

valor de R basal por sangrado.

6.4 Visualización del sensado de tensión in vivo

Nuestro primer estudio en cuanto al sensado de fuerzas con este biosensor

consistió en expresar, tanto el sensor Vin-TS como el control Vin-TL, en células HC11

cultivadas en cubreobjetos recubiertos con la proteína fibronectina. En la Figura 6.6 se

A

B

ImTFP

ImTFP

IFRET

IFRET

IVenus

IVenus

R

R

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6. Sensor de tensión de vinculina: caracterización de fuerzas mecánicas por FRET

175

presentan mediciones representativas del cociente de FRET comparado para células

HC11 transfectadas con el sensor de tensión (Vin-TS) y con el control que no cambia su

conformación (Vin-TL).

Figura 6.6. FRET-ratio en células HC11 expresando Vin-TS y Vin-TL. El cociente de FRET es menor

en células expresando Vin-TS (A-D) respecto de las que expresan Vin-TL (E-H), representando la

tensión celular en ausencia de un estímulo mecánico externo. En los histogramas se nota también que el

ratio es menor para TS (media 1.54, desviación estándar 0.86) que para TL (media 2.23, desviación

estándar 1.42). Barras: 10 µm en A y E, 2 µm en B,C,F,G.

Como puede observarse, el ratio es mayor en las células transfectadas con Vin-

TL que en las transfectadas con Vin-TS. Dado que una menor señal de FRET se

corresponde con una mayor tensión, los resultados de la Figura 5.3 indicarían que las

células cultivadas sobre cubreobjetos cubiertos con fibronectina, están sometidas a

tensiones aún en ausencia de estímulos mecánicos externos. Esta situación es la que

consideraríamos como situación de reposo.

Como paso siguiente medimos la respuesta de la eficiencia de FRET (a través

del FRET-ratio) en células cultivadas sobre las membranas de silicona cubiertas de

fibronectina, y se utilizó el dispositivo estirador (sección II.4.5) para aplicar un estímulo

mecánico externo. En la Figura 6.7 muestro una célula HC11 cultivada sobre

membrana de silicona y expresando la construcción del sensor de tensión para

vinculina. Presento la imagen de superposición de los canales correspondientes a la

0 2 4 60

12000

FRET-ratio

cuen

tas

0 2 4 60

FRET-ratio

cue

ntas

A B C

D

E F G

H

Vin-TS

Vin-TL

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6. Sensor de tensión de vinculina: caracterización de fuerzas mecánicas por FRET

176

detección de mTFP y Venus, y entre la imagen anterior y la de luz transmitida. En esta

última se puede apreciar la presencia de otras células no transfectadas en la muestra.

Figura 6.7. Células HC11 expresando Vin-TS cultivadas en membranas de silicona-fibronectina.

Imagen de superposición entre ambos canales de detección de la fluorescencia (izquierda) y superposición

de la señal de fluorescencia y luz transmitida (derecha).

Figura 6.8. Células HC11 expresando Vin-TS cultivadas en membranas de silicona-fibronectina y

estiradas con el dispositivo mecánico. Imágenes en superposición de los canales de detección, en

función del número de vueltas en el estirador, de una región de la célula que presenta varias adhesiones

focales. Imagen del cociente de FRET (abajo, derecha) y cálculo del valor promedio del ratio sobre las

regiones indicadas en la imagen de la derecha en función del número de vueltas. En el citoplasma

(regiones circulares) no se observó ninguna tendencia.

7V1V 5V3V 7V1V 5V3V 7V7V1V1V 5V5V3V3V

1 2 3 4 5 6 7

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

FR

ET

ra

tio

Numero de vueltas

AF A AF B AF C AF D

AB

C

D

Citoplasma

1 2 3 4 5 6 7

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

FR

ET

ra

tio

Numero de vueltas

AF A AF B AF C AF D

AB

C

D

CitoplasmaAB

C

D

Citoplasma

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6. Sensor de tensión de vinculina: caracterización de fuerzas mecánicas por FRET

177

Ampliando la región indicada en la figura anterior (Fig. 6.7), podemos observar

en detalle qué pasa con las FAs en función del número de vueltas que damos con el

estirador (Figura 6.8). La Figura 6.8 ilustra la evolución de la proteína vinculina a

medida que se estira el sustrato de silicona. Observamos que las adhesiones se

mantienen en la misma región de la periferia de la célula, la intensidad disminuye, en

parte debido al fotoblanqueo de la fluorescencia, y algunas de las FAs aumentan de

tamaño, parecen elongarse. Se calculó el valor del coeficiente de FRET promedio en

cuatro FAs llamadas A, B, C y D. Graficando el FRET-ratio en función del número de

vueltas encontramos que en las cuatro adhesiones el valor aumenta lo que indicaría que

la tensión en la molécula de vinculina disminuye. Se cuantificó también el ratio en el

citoplasma, obteniendo que no presenta una tendencia determinada con el número de

vueltas.

6.5 Conclusiones

Utilizando el sensor de tensión codificado genéticamente para la proteína

vinculina se pudo observar, a través de la técnica FRET, que las células cultivadas sobre

fibronectina están sometidas a tensiones aún en ausencia de estímulos mecánicos

externos. El sensor de tensión permite la detección de fuerzas a nivel molecular dentro

de la célula viva, por lo que nos permite obtener información acerca del estado de

tensión intracelular.

Mediante la utilización de este biosensor, se logró estudiar la evolución de la

tensión en la proteína vinculina al aplicar un estiramiento a la célula, a través del

estirador mecánico. Nuestros resultados sugieren que la tensión en la molécula de

vinculina en las adhesiones focales disminuye como respuesta al estiramiento.

6.6 Referencias

1 Goldyn et al., J. Cell Sci 122: 3644-3651, 2009. 2 Bershadsky, A. D., Balaban, N. Q. & Geiger, B., Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 19: 677–695,

2003) 3 C. Grashoff et al., Nature 466, 263-267, 2010.

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V. Microscopía multi-análisis

AFM/fluorescencia:

visualización, detección,

integración y respuesta.

Reclutamiento de proteínas de las

adhesiones focales en respuesta a un

estímulo mecánico local y funcional.

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Capítulo 7

Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

En este capítulo describo los resultados obtenidos en el microscopio combinado AFM-

óptico desarrollado en el Laboratorio de Electrónica Cuántica (FCEN-UBA), tanto para

la detección de fuerzas de interacción ligando-receptor a nivel de moléculas

individuales como para la visualización AFM/Fluorescencia. Presento resultados en el

estudio de la evolución temporal de las proteínas de las adhesiones focales en respuesta

al estímulo mecánico realizado con un sensor de fuerza de AFM.

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

183

7.1 Introducción

Como se ha mencionado y mostrado con algunos ejemplos en los capítulos

anteriores de esta Tesis, la microscopía de fluorescencia se ha convertido en una

herramienta indispensable para la biología celular, ya que permite la visualización de

proteínas específicamente marcadas dentro de una célula viva1. La microscopía de

fuerza atómica, por su parte, ha sido también ampliamente utilizada en sistemas

biológicos2. Sin embargo, el desarrollo de ambas técnicas ha seguido caminos

independientes; mientras que su utilización ha sido en general con propósitos diferentes,

pero muchas veces complementarios.

Las dos microscopías pueden ser utilizadas en condiciones fisiológicas,

permitiendo el estudio de sistemas in vivo. El desarrollo de una microscopía combinada

AFM/Fluorescencia, como la puesta a punto en el Laboratorio de Electrónica Cuántica,

no sólo permite realizar los experimentos clave de las dos microscopías en forma

individual sino que abre la posibilidad de integrar ambas técnicas para encarar desafíos

centrales en la biofísica y la biología celular.

Los experimentos simultáneos de microscopía óptica y AFM a nivel de

moléculas individuales prometen descubrir nuevos horizontes tanto en la manipulación

a escala nanométrica como en el entendimiento de la interrelación entre una fuerza

mecánica aplicada y las propiedades ópticas de las moléculas3. Esta tecnología

combinada es clave para el estudio de la mecanotransducción celular, siendo nuestro

objetivo particular la interacción entre una punta sensora de AFM modificada

químicamente con un ligando y una célula, y la observación simultánea de su respuesta

bioquímica y funcional por fluorescencia. En este sentido, el microscopio híbrido

resulta una herramienta adecuada dado que permite la observación simultánea de la

generación y la dinámica de señales intracelulares en respuesta a la interacción del

sensor de fuerza funcionalizado.

7.2 Detección de fuerzas en el orden de los pN. Sistema ligando-receptor: biotina-

estreptavidina

Una vez adaptado el microscopio híbrido AFM/Fluorescencia para trabajar en

condiciones fisiológicas, se analizó la sensibilidad a nivel de fuerzas de la parte AFM,

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

184

realizando experimentos de fuerzas de interacción ligando-receptor. Se estudió la

interacción entre biotina-estreptavidina, utilizando la estrategia descripta en el Capítulo

2 de este trabajo. Brevemente, se modificaron sustratos de oro Robax con StA a través

del tiol DTSP y se usaron los sensores de fuerza comerciales biotinilados (NovaScan

Techonologies, Ames, EEUU) a través de un espaciador flexible de PEG. Las curvas de

fuerza se adquirieron en el modo de contacto en solución. En la Figura 7.1A se muestra

una curva de fuerza típica obtenida para este sistema en el microscopio combinado. Se

puede ver que el salto correspondiente a la ruptura de la unión (flecha roja) está por

sobre el nivel de ruido de los datos, y que la curva presenta la forma característica

esperada para el estiramiento de la molécula espaciadora PEG (flecha azul). En la

Figura 7.1 B presento el histograma de fuerzas de interacción para el sistema biotina-

StA, medidas con el microscopio combinado. El valor medio obtenido (para 31 eventos

de interacción) de (209 ± 7) pN es consistente con el valor esperado4.

Figura 7.1. Interacción biotina-estreptavidina medida en el microscopio combinado. A Curva de

fuerza (retracción) correspondiente a la ruptura de la interacción biotina-estreptavidina, presentando la

forma característica esperada para el estiramiento de la molécula espaciadora. B Histograma de fuerzas, y

su correspondiente ajuste gaussiano que arrojó un valor medio de (209 ± 7) pN.

Con estos resultados estamos en condiciones de afirmar que el microscopio

combinado AFM/ Fluorescencia desarrollado en el Laboratorio de Electrónica Cuántica

no sólo es capaz de operar en condiciones fisiológicas sino que alcanza la resolución

necesaria para medir fuerzas de interacción entre moléculas individuales.

-20 0 20 40 60 80 100 120-200

-100

0

100

200

300

400

z [nm]

Fue

rza

[pN

]

-20 0 20 40 60 80 100 120-200

-100

0

100

200

300

400

z [nm]

Fue

rza

[pN

]

0 100 200 300 400 5000

0.05

0.1

0.15

0.2

Fuerza (pN)

Pro

babi

lidad

(%

)

A B

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

185

7.3 Visualización de adhesiones focales en células vivas

El microscopio híbrido AFM/Fluorescencia también fue validado para la

visualización de proteínas de las adhesiones focales en células vivas. Se observaron por

epifluorescencia células HC11 transfectadas con proteínas de las adhesiones focales

unidas a las proteínas fluorescentes. En la Figura 7.2 presento una galería de imágenes

de células HC11 transfectadas para expresar proteínas de las adhesiones focales. Si bien

no son imágenes confocales, puede apreciarse muy bien la distribución de las

adhesiones focales en la periferia de la célula como estructuras planas (de

aproximadamente 1µm de altura) con una morfología característica. Para la proteína

zixina, en algunas imágenes es posible apreciar también en el interior de la célula

patrones de puntos que siguen "líneas" y están asociadas a las fibras de actina (flechas

blancas).

Figura 7.2. Proteínas de adhesiones focales en células HC11 observadas en el microscopio

combinado. Células vivas transfectadas para expresar las proteínas quimera zixina-EGFP (A,B),

vinculina-EGFP (C) y vinculina-Venus (D). La proteína zixina se localiza en las adhesiones focales, y en

algunos casos sobre los filamentos de actina (flechas blancas). La proteína vinculina se ubica en las

adhesiones focales y se observa también en el citoplasma. Barras de escala: 10 µm.

A

C D

B

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

186

7.4 Combinación de topografía y fluorescencia para estudiar células vivas

Se obtuvieron también imágenes combinadas AFM y fluorescencia en células

vivas. Este microscopio presenta la ventaja de que la platina del AFM tiene un rango

vertical de movimiento de 20 µm, lo que hace que tomar imágenes AFM de células

vivas sea mucho más sencillo (el escáner del microscopio comercial utilizado en este

trabajo tiene un rango menor a los 5µm, por lo que resulta muy inestable para tomar

imágenes de células vivas). En la Figura 7.3 presento las imágenes in vivo de una célula

HC11 transfectada con la construcción vinculina-EGFP. Se obtuvieron las señales de

topografía y error (deflexión) mediante AFM y la imagen de fluorescencia, en la que

puede verse que la proteína no sólo se acumula en las adhesiones focales sino que

también está distribuida en el citoplasma. Se muestra también la superposición de la

imagen de fluorescencia y la de deflexión.

Figura 7.3. Imágenes AFM/fluoresencia de células vivas. Células HC11 transfectadas para expresar la

proteína quimera vinculina-EGFP. De izquierda a derecha, imágenes de: AFM-topografía (escala z

indicada), AFM-error (unidades arbitrarias), fluorescencia y superposición fluorescencia-error. Todas las

barras de escala de 10 µm.

Al observar las imágenes de AFM en sus distintas señales vemos que la imagen

de error provee información adicional a la topografía. Con flechas blancas se indica la

presencia, en el borde una célula que no expresa nuestra proteína de interés, de

estructuras delgadas dispuestas en forma paralela que corresponden a los filamentos de

actina, uno de los componentes del citoesqueleto de las células y que forma parte de las

FAs. En fluorescencia es simple decir qué células expresan la proteína vinculina-EGFP,

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

187

así como también ver la localización y distribución de la misma. La zona del núcleo,

que en las imágenes de topografía corresponde a la parte más elevada en el centro de la

célula, en fluorescencia se presenta libre de señal.

7.5 Experimentos en respuesta a un estímulo mecánico local

En el marco de este trabajo de Tesis, el experimento para el que fue concebido el

uso del microscopio combinado AFM/Fluorescencia es el de ejercer una fuerza puntual

y cuantitativamente controlada sobre la célula, para desencadenar la formación de la

adhesión focal y, seguir en función del tiempo, la respuesta bioquímica mediante la

visualización y localización de proteínas componentes de la adhesión focal o de la

cascada de señalización fusionadas a VFPs.

El experimento a realizar consiste en utilizar las puntas modificadas con

fibronectina y aplicar una tensión sobre la célula. Dicha tensión, sumada a la interacción

específica fibronectina-integrina debería disparar la formación de una FA comenzando

por la agregación (clustering) de las integrinas a nivel de la membrana plasmática de la

célula, y siguiendo por el reclutamiento de las diferentes proteínas citoplasmáticas que

componen las FAs. Cada una de las proteínas está relacionada con distintos estadíos en

las FAs, por lo que resulta de gran interés conocer los tiempos involucrados en el

reclutamiento las diferentes proteínas.

Si bien hasta el momento no conocemos estudios previos de la formación de

FAs que combinen las dos microscopías con las que trabajamos (AFM y Fluorescencia),

hay en la literatura varios trabajos dedicados al estudio de la formación de FAs. En un

trabajo pionero del grupo del Dr. Sheetz5 se logró estudiar la formación de FAs en

fibroblastos utilizando microesferas funcionalizadas con fibronectina y visualizando por

epifluorescencia la proteína vinculina unida a la GFP. En dicho trabajo se mostró que la

formación de pequeños complejos focales en los alrededores de las microesferas no sólo

es específica en cuanto a la modificación de las esferas con fibronectina, sino que

depende también del área de las esferas (utilizaron esferas de entre 1 y 8 µm de

diámetro) y de la fuerza aplicada (mediante la utilización de pinzas ópticas). Mostraron

también que la vinculina tarda del orden de las decenas de segundos en reclutarse, y que

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

188

en el mismo orden temporal se encuentra el reclutamiento de la talina, otra de las

proteínas que componen las FA.

En un trabajo más reciente del mismo grupo6, se estudió la formación de

agregados de integrinas al depositar las células sobre sustratos con arreglos de

nanopartículas funcionalizadas con el péptido RGD (el fragmento de la fibronectina de

unión a la integrina). En este estudio, en ausencia de fuerzas externas, observaron por

microscopía confocal el reclutamiento de las integrinas en tiempos del orden de 200

segundos. Mostraron también que el agregado de integrinas recluta también a las

proteínas talina, paxilina y FAK en tiempos similares, mientras que el reclutamiento de

vinculina comienza en un tiempo posterior (unos 100 segundos después de visualizado

el agregado de integrinas) asociado a la actividad mecánica de la célula, sugiriendo que

el agregado de vinculina requiere la contracción celular.

Mediante una estrategia similar a la nuestra, que combina microscopía confocal

con la utilización de un nanoelectrodo funcionalizado con fibronectina para microscopía

de barrido por conductancia iónica, en el trabajo de Fuentes et al.7 lograron inducir la

formación de una FA en la punta del nanoelectrodo. Con esa estrategia visualizaron el

agregado de la proteína talina unida a la proteína fluorescente roja (RFP) y obtuvieron

un tiempo de reclutamiento entre 60 y 80 segundos. Observaron también, a través de la

talina-RFP, el remodelado en términos de morfología de otras adhesiones focales ya

maduras en la célula en respuesta al estímulo mecánico.

Utilizando el microscopio combinado AFM/Fluorescencia nos propusimos

estudiar la evolución temporal de dos proteínas adhesivas, de gran interés ya que se

postulan como las proteínas mecanosensoras: zixina y vinculina. Cabe destacar que las

proteínas elegidas son indicadoras de distintos estadios en la formación de las FAs:

mientras vinculina se recluta en una primera etapa (decenas de segundos), zixina es

indicadora de la adhesión madura por lo que se postula que su reclutamiento tardaría del

orden de decenas de minutos hasta horas8. Mediante el estudio de la respuesta temporal

de la fluorescencia ante el estímulo mecánico-funcional que haremos con la punta AFM

modificada con fibronectina, esperamos ver el reclutamiento de la proteína vinculina en

los alrededores de la interacción punta-célula en tiempos del orden de las decenas de

segundos. Por otro lado, visualizando la zixina marcada queremos estudiar en tiempos

del mismo orden el remodelado de las FAs maduras.

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

189

La estrategia de estos experimentos se basa en utilizar sensores de fuerza

funcionalizados con fibronectina para ejercer un estímulo mecánico local y funcional.

Como punto de partida, utilizamos sensores de fuerza cuyas puntas fueron limadas para

aumentar el área de contacto entre el sensor y la célula, y hacerla de un tamaño

comparable a los ya utilizados en los trabajos mencionados. El protocolo de limado

(desarrollado en el Laboratorio de Electrónica Cuántica) consiste en hacer barrer la

punta con el AFM en modo contacto sobre un sustrato de vidrio durante media hora (en

un área de 3µm x 3µm y a una velocidad de 30 µm/seg). En la Figura 7.4 A,B se

muestran imágenes de microscopía electrónica de las puntas limadas utilizadas, en las

que puede apreciarse que la zona de primer contacto con la célula tiene

aproximadamente un área de 0.2x1 µm2.

En cuanto a la funcionalización con fibronectina, se realizó por adsorción

pasiva incubando los sensores de fuerza en una solución de fibronectina 100 µg/ml (en

PBS) durante 20 minutos, enjuagando 5 veces con PBS antes de su utilización en los

experimentos. Para aumentar la adsorción, previo a la etapa de incubación con la

proteína se cubrieron los sensores con una delgada película de oro por sputtering

(utilizando el protocolo descripto en la sección 2.2.2). En la Figura 7.4 C presento un

esquema que resume el protocolo de funcionalización de los sensores de fuerza para los

experimentos en respuesta al estímulo mecánico.

Figura 7.4. Preparación de sensores de fuerza para los experimentos estímulo-respuesta. A

Micrografía electrónica de la punta de un sensor de fuerza limado para su utilización en experimentos en

función de la fuerza. B Detalle de la misma punta, en la que se observan las medidas características de la

superficie de contacto inicial con la célula. C Esquema de preparación de las puntas para dichos

experimentos, que consta de tres pasos: limado, recubrimiento con oro por sputtering y funcionalización

con fibronectina por adsorción pasiva. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido fueron

tomadas en el Centro de Microscopías Avanzadas.

Si3N4

limado

sputtering

Au

20 min Fn 100µg/ml

Si3N4

limado

sputtering

Au

20 min Fn 100µg/ml

~ 1µm

~ 200 nm

A B C

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

190

El experimento estímulo-respuesta consiste en posicionar la punta funcional sobre una

célula que exprese las proteínas fluorescentes quimeras, realizar un estímulo mecánico y

registrar la evolución temporal de la fluorescencia. Para ello, se busca en el modo

fluorescencia una célula de la muestra transfectada con alguna de las construcciones

proteína de FA-VFP en la que se visualicen las adhesiones, y por transmisión se ubica el

sensor de fuerza para que al hacer contacto se posicione sobre la región de interés de la

célula. En la Figura 7.5 se presenta un ejemplo de células transfectadas con la

construcción zixina-GFP visualizadas en transmisión (A) y en fluorescencia (B) donde

se puede observar claramente las células que expresan las proteínas en las FAs. Una vez

que el sensor de fuerza está en contacto con la célula, utilizando un setpoint mínimo,

realizamos una curva de fuerza (Figura 7.5 C). La curva de fuerza sobre la célula, que

presenta la indentación característica, nos permite definir el setpoint que determinará el

valor de fuerza en el que se realiza el experimento. Utilizamos en general fuerzas en el

orden de 5-10 nN.

Figura 7.5. Experimento estímulo-respuesta. A Imagen de transmisión óptica obtenida en el

microscopio combinado, en la que puede verse el sensor de fuerza posicionado sobre una muestra de

células HC11. B Imagen de la misma región en fluorescencia, en la que se pueden ver las células

transfectadas con la construcción zixina-GFP que expresan la proteína en las FAs. C Para asegurarnos

que efectivamente la punta está sobre la célula y definir los valores de setpoint a utilizar realizamos en

primer lugar una curva de fuerza, que presenta la indentación característica de la superficie de la célula.

Para seguir la evolución temporal de las proteínas marcadas, se registran

imágenes en función del tiempo tomando como tiempo inicial el instante en que se

cambia el valor del setpoint para hacer la fuerza determinada. Tanto el tiempo de

integración como el tiempo de espera entre imágenes se selecciona cuidadosamente

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5-5

0

5

10

15

Desplazamiento (um)

Fue

rza

(nN

)

A B C

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

191

antes de comenzar el experimento de manera de optimizar las imágenes y teniendo en

cuenta minimizar el fotoblanqueo.

7.5.1 Evolución temporal de la proteína adhesiva zixina en respuesta a un estímulo

mecánico local

En primer lugar estudiamos la evolución temporal de la proteína zixina en

respuesta al estímulo mecánico funcional. Como se mencionó, la zixina es una proteína

relacionada a las adhesiones focales maduras, por lo que en la formación de nuevas

adhesiones focales no estaría involucrada. La zixina se reclutaría en tiempos del orden

de decenas de minutos y hasta horas una vez que las FAs maduran. En los tiempos de

nuestros experimentos no esperamos seguir con la visualización de esta proteína la

formación de nuevas adhesiones, sino que vamos a estudiar el remodelado de las

adhesiones ya maduras existentes en la célula como respuesta a la fuerza aplicada.

En la Figura 7.6 presento una secuencia de imágenes de una célula expresando

zixina-EGFP sometida a una fuerza de (2.7 ± 0.4) nN. Las imágenes a diferentes

tiempos a partir del estímulo no parecen presentar a simple vista cambios en la

morfología de las FAs. La superposición (Figura 7.6 G) entre la primera imagen

(coloreada en verde) y la útima (coloreada en rojo) da cuenta de que tampoco hubo

corrimientos ni en el plano ni en el foco a medida que se registró la secuencia.

Para analizar la dinámica de las proteínas a nivel de cuantificar la intensidad en

función del tiempo, es de crucial importancia tener en cuenta el fotoblanqueo propio de

la adquisición de las imágenes. En la Figura 7.6 H se puede ver la evolución temporal

de la intensidad media en la región de interés señalada en la Figura 7.6 A, en la cual se

aprecia el decaimiento propio del fotoblanqueo, del orden del 15% de la señal por sobre

el fondo. En este sentido, dado que los niveles de señal son bajos y el fotoblanqueo

apreciable, decidimos no corregirlo y estudiar los decaimientos de la intensidad tales

como fueron adquiridos. Por otra parte, y como se discutió en la sección II.3.4, la

sombra del cantilever es apreciable en las imágenes de fluorescencia por lo que la señal

de fondo debería considerarse de manera diferente debajo del cantilever respecto del

resto de la imagen. Resulta así complejo restar una señal de background, no pudiendo

hacerse una corrección general para toda la imagen como se hace usualmente y hemos

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

192

hecho en todos los análisis cuantitativos de imágenes de fluorescencia en esta Tesis. Es

por esto que el análisis de las secuencias adquiridas con el microscopio combinado para

los experimentos estímulo-respuesta se realizó sobre los datos crudos sin ningún tipo de

normalización por fotoblanqueo ni corrección por background.

Figura 7.6. Respuesta temporal de la proteína zixina ante un estímulo mecánico puntual. A-F

Secuencia de imágenes de una célula expresando zixina-EGFP y sometida a una fuerza de (5.4 ± 0.9) nN

mediante un sensor de fuerza por AFM. En las imágenes puede notarse la sombra del cantilever (cuya

posición se indica con la línea de puntos en A), la cual proporciona niveles diferentes de background:

como ejemplo, en este caso la señal de fondo media por píxel debajo del cantilever es de (1828 ± 4)

mientras que en el resto de la imagen es de (1930 ± 10). G Superposición de la primera (coloreada en

rojo) y la última (coloreada en verde) de las imágenes de la secuencia. H Evolución temporal de la

intensidad media por píxel dentro de la ROI indicada en A. Se aprecia el decaimiento por fotoblanqueo,

del orden del 15% de la señal por sobre el ruido (decae ~200 sobre una señal de ~1400).

Basaremos el análisis cuantitativo de las imágenes tomadas en función del

tiempo en el estudio de los decaimientos de la señal en diferentes zonas de la célula.

Asumimos que si hay un reclutamiento de las proteínas estudiadas como respuesta a la

fuerza aplicada, entonces el tiempo de decaimiento de la fluorescencia debe ser mayor

que el tiempo que se da por el fotoblanqueo. En otras palabras, el reclutamiento de las

proteínas fluorescentes, en las zonas en que éste se produzca, compensa el decaimiento

de la fluorescencia por fotoblanqueo y hace que la intensidad en función del tiempo

decrezca más lentamente.

Una cuestión muy importante en este análisis es el efecto de la iluminación.

Como discutimos en la sección II.2.4, el fotoblanqueo depende directamente de la

0 25 50 75 100 125 1503100

3150

3200

3250

3300

3350

tiempo (s)

Inte

nsid

ad p

or p

ixel

A B D C

E F G H

t = 0 s

154 s merge

30 s 60 s 90 s

120 s

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

193

intensidad de iluminación, por lo que una iluminación no homogénea afectaría

directamente nuestro análisis. Es por ello que para cada película analizamos la

iluminación en la zona en que fue registrada. En la Figura 7.7 presento un detalle de la

iluminación en la zona estudiada para zixina, utilizando la imagen de un portaobjetos

fluorescente de diagnóstico como se discutió previamente. Si bien la iluminación no es

uniforme, la desviación estándar en este caso resultó del 4%, mientras que la intensidad

media por píxel en las zonas de mayor variación difiere en un 7%. Para no introducir

correcciones que puedan afectar los datos se decidió no corregir los valores de

intensidad por la iluminación dado que las variaciones son pequeñas. Sin embargo, es

muy importante conocer la no uniformidad de la iluminación para tenerla en cuenta a la

hora de decidir si las diferencias en los tiempos de decaimiento son apreciables o

pueden ser un efecto de la iluminación.

Figura 7.7. Uniformidad de la iluminación en las imágenes analizadas. A Imagen del campo total

iluminado, en la que se recuadra la zona en la que se registra la secuencia temporal, barra 25µm. B-C

Iluminación en la zona recuadrada, obtenida de una imagen del portaobjetos fluorescente, visualizada en

tres (B, escalas x e y en píxeles) o dos dimensiones (C). Para cuantificar la no uniformidad se

seleccionaron 3 zonas, recuadradas en negro y numeradas. La intensidad media en las zonas más alejadas

en cuanto a la uniformidad de la iluminación difieren en un 7% (la zona 1 presenta una intensidad media

de (6200 ± 100), mientras que la zona 2 de (5800 ± 300)). La zona 3 se corresponde con una suciedad del

portaobjetos, por lo que no fue tenida en cuenta. D Histograma de intensidad de la zona estudiada, cuya

desviación estándar es del 4%.

Iluminación área estudiada

5000

5500

6000

6500

040

80120

0

40

80

1204000

5000

6000

7000

4500 5000 5500 6000 6500 70000

1000

2000

3000

4000

Intensidad por pixel

cuen

tas

1

2

3

A B

C D

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

194

Teniendo en cuenta todos estos factores, nos proponemos estudiar la evolución

temporal de la intensidad en diferentes regiones de la célula y analizar el posible

reclutamiento de la proteína zixina en las adhesiones focales como respuesta al estímulo

mecánico. Para ello, se seleccionaron en las imágenes regiones circulares de 3 píxeles

(0.47 µm) de radio dentro de las adhesiones focales de la célula. Dado que no se vieron

corrimientos de la célula durante la adquisición de la película, las regiones se

seleccionaron sobre la imagen promedio de todas las registradas. El radio de las ROIs se

seleccionó de manera de que todas las regiones quedaran dentro de una adhesión focal.

En la Figura 7.8 puede verse la imagen promedio de la película de la Fig. 7.6, y los

puntos en donde se centraron las 20 regiones de análisis seleccionadas. En líneas

punteadas se marcó el sensor de fuerza, observándose que debajo del mismo se

encuentran las regiones a partir de la número 13.

Figura 7.8. Selección de regiones de interés para el análisis de la respuesta temporal de zixina. A

Imagen promedio de la secuencia de 120 imágenes registrada para la proteína zixina-EGFP en una célula

HC11 (barra 10 µm). En línea punteada se marca la posición del sensor de fuerza. B Sobre la misma

imagen se seleccionaron 20 regiones de interés circulares de 3 píxeles de radio, cuyos centros se indican

con puntos rojos. Las regiones fueron numeradas para el análisis, estando a partir de la región número 13

en la zona en que se aprecia la sombra del cantilever.

Una vez marcadas las regiones de interés, se analizaron los decaimientos de la

intensidad media de la fluorescencia de cada región en función del tiempo. Se observó

que no todas las curvas parecen presentar los mismos tiempos característicos, como se

aprecia en la Figura 7.9 A en la que se ven los decaimientos normalizados a la

1 2

3 4

5 6

7 8 9 10

11 12

13 14

15 16 17

18 19

20

A B

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

195

intensidad inicial. Nuestro análisis consistió en ajustar las curvas de intensidad (I) en

función del tiempo (t) mediante una función exponencial decreciente del tipo de la

ecuación 7.1:

bkgt

ItI +��

���

� −=

τexp)( 0 7.1

donde I0 es la intensidad inicial, � el tiempo de decaimiento y bkg el valor de la señal de

fondo. Esta ecuación es análoga a la (II.4) pero tiene en cuenta que los datos de

intensidad no fueron corregidos por el background.

Figura 7.9. Respuesta temporal de la proteína zixina ante el estímulo mecánico en las regiones

estudiadas. A Intensidad normalizada (al promedio de los 5 primeros valores) en función del tiempo para

las regiones 5, 6, 7, 8 (rojo) y 14, 18, 19, 20 (azul), en la que puede apreciarse que los decaimientos tienen

tiempos característicos diferentes. B Intensidad en función del tiempo para las señales sin normalizar, y

sus correspondientes ajustes con la ecuación 7.1. C Tiempos de decaimiento obtenidos, en función del

número de ROI en el orden de la Figura 7.8 B. En negro se presentan los valores obtenidos utilizando el

bkg de cada región, mientras que para las ROIs debajo del cantilever se muestran en cian los valores de

ajustar usando el bkg general. La elipse roja engloba los puntos para los cuales no parece haber

reclutamiento. D Ubicación en la célula de las FAs en las que consideramos se da el reclutamiento de

zixina. La línea amarilla marca el filamento de actina que conecta las adhesiones 4 y 20.

0 50 100 1500.92

0.94

0.96

0.98

1

1.02

tiempo (s)

Inte

nsid

ad n

orm

aliz

ada

A

0 50 100 1502400

2600

2800

3000

3200

3400

tiempo (s)

Inte

nsid

adB

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

500

1000

1500

2000

# ROI

tiem

po d

e de

caim

ient

o (s

)

C D

4

20

18

19

14

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

196

En la Figura 7.9 B se pueden ver las evoluciones temporales de las intensidades

de algunas de las regiones estudiadas, así como sus ajustes mediante la función de la

ecuación 7.1. Dependiendo de la ROI, se tomó como bkg el valor general del ruido de

fondo o el valor del fondo en la zona de la sombra del cantilever. En la Figura 7.9 C se

presentan los valores de � obtenidos para los ajustes de cada ROI. Para corroborar que el

hecho de tomar diferentes bkg en las distintas zonas no afecte los resultados, la

intensidad en las regiones debajo del cantilever se ajustó también utilizando el valor de

bkg general, observándose la misma tendencia (puntos coloreados en cian en la Fig. 7.9

C). Los ajustes se realizaron mediante la función nlinfit de Matlab, dejando fijo el valor

de bkg. Se corroboró también que los resultados obtenidos no dependan del punto

exacto en los que se marcaron las regiones de interés, obteniéndose los mismos

resultados en numerosas corridas con selecciones de los centros de las ROIs levemente

diferentes.

Se puede ver que la mayoría de los tiempos de decaimiento obtenidos tienen un

valor de entre 700 y 800 segundos (caen dentro de la elipse roja en la Fig. 7.9 C),

mientras que en las regiones 4, 14, 18, 19 y 20 la intensidad decae con un � claramente

mayor, lo que sugiere que en las FAs correspondientes a dichas regiones se estaría

reclutando zixina. Este resultado es interesante dado que las regiones 14, 18, 19 y 20

están en la zona de acción del sensor de fuerza, mientras que la región 4 está fuera de

dicha zona pero está conectada directamente con la FA 20 a través de un filamento de

actina (marcado con una línea amarilla). Esto concuerda con el modelo de tensegridad

en mecanotransducción9, en el cual se propone que los filamentos de actina como

componente del citoesqueleto son los responsables de transmitir las fuerzas dentro de la

célula.

Resulta razonable que en las FAs 14, 18 y 19 se haya obtenido un � mayor dado

que son las más cercanas a la punta del sensor de fuerza. Por otra parte, las regiones 18

y 19 parecen estar dispuestas sobre un filamento de actina, y en principio no es muy

claro si conforman la misma adhesión. Teniendo en cuenta estas dos regiones, se

observa un tiempo de decaimiento significativamente mayor en la región más interna,

dispuesta sobre el filamento, lo que sugiere un reclutamiento de proteína más

importante en la dirección del filamento. Dicha observación sería consistente con los

resultados previos de este trabajo (secciones 3.4 y 5.4) en los que obtuvimos, tanto en la

visualización como mediante el estudio por N&B, que ante el estiramiento mecánico la

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

197

zixina transloca a los filamentos de actina. Las regiones 20 y 4, interconectadas por el

filamento de actina, presentan un valor de � similar.

Estudiamos también la respuesta de la zixina en función de la fuerza aplicada,

para lo cual variamos el setpoint al que se realizó el experimento. Se sometió a la célula

a fuerzas de (5.4 ± 0.9) nN, (6.8 ± 1.0) nN y (8.2 ± 1.2) nN. El experimento se realizó

cambiando el valor de setpoint y tomando una secuencia de 120 imágenes (en un total

de tiempo del orden de los 150 segundos) inmediatamente después de cambiar el valor.

En la Figura 7.10 presento los resultados en términos de tiempos de

decaimiento de las señales en cada FA, tomando las mismas regiones en las tres

películas registradas. Si bien no hay una tendencia determinada, es decir, no en todas las

FAs se observan cambios en el mismo sentido en cuanto a los tiempos de decaimiento,

se puede destacar de manera general que al aplicar una mayor fuerza se producen

cambios, y que éstos son notables en las regiones a partir de la número 11, que se

corresponden justamente con las FAs en la zona de acción de la punta funcionalizada.

Figura 7.10. Respuesta temporal de la proteína zixina en función de la fuerza aplicada. A Imagen

promedio de la segunda secuencia analizada de células HC11 expresando zixina-EGFP, sometida a una

fuerza externa. Se indica la numeración de las ROIs para el análisis (barra 10 µm). B Tiempo

característico obtenido del ajuste de los decaimientos de la intensidad de la fluorescencia, utilizando para

cada zona su respectivo bkg. Cada tipo de datos corresponde a un valor diferente de setpoint: 0.04V,

0.05V y 0.06V; correspondientes a valores de fuerza de: (5.4 ±0.9) nN, (6.8 ± 1.0) nN y (8.2 ± 1.2) nN

respectivamente. Los experimentos fueron realizados en orden de fuerza ascendente.

Es interesante notar que en las FAs de las regiones 11 y 12, cuya intensidad de la

fluorescencia en la primera secuencia no parecía evolucionar de manera diferente a la

dinámica del fotoblanqueo, se ven importantes cambios en el tiempo de decaimiento al

1 2

3 4

5 6

7 8 9 10

11 12

13 14

15 16 17

18 19

20

A B

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

198

aumentar la fuerza. Esto indicaría que la acción del estímulo se propaga al aumentar el

valor de fuerza, a adhesiones que no están interactuando directamente con la punta, y

que no se veían afectadas a niveles bajos de fuerza.

Este experimento demuestra que mediante el uso del microscopio combinado se

pueden estudiar respuestas biológicas tan complejas como el reclutamiento de las

proteínas en las FAs en función de la fuerza aplicada. Utilizando un análisis simple, sin

realizar ningún tipo de corrección que pueda modificar los datos, mostramos que puede

detectarse el reclutamiento de la zixina en respuesta a la fuerza aplicada y que el análisis

de las señales de intensidad en función del tiempo permite, a través del estudio de los

tiempos característicos, cuantificar de manera relativa cómo se da el reclutamiento en

cada adhesión focal.

7.5.2 Evolución temporal de la proteína adhesiva vinculina en respuesta a un

estímulo mecánico local

Para la proteína vinculina en células HC11 registramos también secuencias de

imágenes utilizando el mismo protocolo estímulo-respuesta. En el caso de la vinculina,

como ya se ha observado en la literatura, esperamos que en respuesta al estímulo

mecánico y funcional realizado con la punta sensora modificada con fibronectina, la

proteína se reclute en el lugar en que se realiza el estímulo, dando lugar eventualmente a

la formación de una FA.

En la Figura 7.11 presento una secuencia obtenida para células HC11

transfectadas para expresar vinculina-EGFP. Se registraron 120 imágenes por un total

de 236 segundos. Observando con detenimiento las imágenes antes de hacer contacto

(Fig. 7.11 A) y la última de la secuencia (Fig. 7.11 D) puede apreciarse la aparición de

una región fluorescente tenue en el lugar donde se encuentra la punta. Se presenta

también la superposición (Fig. 7.11 E) de la primera y la última de las imágenes de la

secuencia, en la que nuevamente corroboramos que durante el transcurso del

experimento no hubo corrimientos. En el caso de la vinculina-EGFP, dado que por el

nivel de expresión las señales son menos intensas, es más notable el fotoblanqueo como

se aprecia en la evolución de la intensidad en una región de interés interior a una FA

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

199

(Fig. 7.11 F). Analizaremos nuevamente los decaimientos de la intensidad en el tiempo

en diferentes regiones de la célula para estudiar el reclutamiento de esta proteína.

Figura 7.11. Respuesta temporal de la proteína vinculina ante un estímulo mecánico puntual. A

Imagen de las células HC11 expresando vinculina-EGFP a estudiar antes de hacer contacto por AFM. En

líneas de puntos se indica la posición final del sensor de fuerza. B-D Secuencia de imágenes de la célula

sometida a una fuerza de (13 ±2) nN. En este caso los niveles de background son de (1974 ± 7) debajo del

cantilever y de (2090 ± 10) en el resto de la imagen. E Superposición de la primera imagen de la

secuencia (coloreada en rojo) y la última (coloreada en verde). F Evolución temporal de la intensidad

media por píxel dentro de la región marcada en B. El decaimiento por fotoblanqueo es del orden del 50%.

Nuevamente analizamos las posibles desviaciones en la iluminación para la zona

registrada en esta película. En la Figura 7.12 se resume este análisis, en el que se

obtuvo una desviación estándar del 4.5% en el total de la zona, y una diferencia del 12%

entre zonas con máximo contraste en la iluminación.

Figura 7.12. Uniformidad de la iluminación en las imágenes analizadas para vinculina. A-B

Iluminación en la zona estudiada, obtenida de la imagen del portaobjetos fluorescente, visualizada en dos

(A) y tres (B, escalas x e y en pixeles) dimensiones. Se cuantificó la no uniformidad en las dos regiones

recuadradas en A, obteniendo una diferencia del 12%. D El histograma de intensidades presenta una

desviación estándar es del 4.5%.

050

100150

0

50

1004000

5000

6000

7000

Iluminación área estudiada

5000

5500

6000

6500

4500 5000 5500 6000 6500 70000

500

1000

1500

2000

2500

Intensidad por pixel

cuen

tas

A B C

0 50 100 150 200 2502300

2400

2500

2600

tiempo (s)

Inte

nsid

ad p

or p

ixel

no contacto t = 0 s 118 s

236 s merge

B C

E F

A

D

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

200

En la Figura 7.13 A se presenta la imagen promedio de toda la secuencia, en la

que se observa debajo del cantilever una estructura fluorescente que tiene la posición y

la forma piramidal característica de la punta del sensor de fuerza (señalada en la figura

con un círculo punteado rojo). En esta secuencia se seleccionaron 13 regiones de interés

circulares de 3 píxeles de radio (Figura 7.13 B): 12 correspondientes a las adhesiones

focales ya maduras de las células, y la última en la región de contacto punta-célula en

que parece reclutarse la vinculina-EGFP.

Figura 7.13. Respuesta temporal de la proteína vinculina ante un estímulo mecánico puntual. A

Imagen promedio de la secuencia de 120 imágenes registrada para vinculina-EGFP en una célula HC11

(barra 10 µm). En línea punteada se marca la posición del sensor de fuerza, y el círculo rojo indica dónde

se ubica la punta. B Puntos centrales de las 13 ROIs circulares de 3 píxeles de radio seleccionadas para el

análisis. Las regiones 12 y 13 se sitúan en la zona de bkg correspondiente al cantilever. C Intensidad en

función del tiempo en las distintas regiones, con sus respectivos ajustes no lineales mediante la ec. 7.1.

(ROIs1-10 en azul, 11 y 12 en cian, 13 en rojo). D Tiempos de decaimiento característicos obtenidos para

cada ROI, en cian se presentan los que se obtendrías en las regiones 12 y 13 usando como valor de bkg el

general de la imagen.

El análisis se realizó también en este caso ajustando los decaimientos

observados en las curvas de intensidad de la fluorescencia en función del tiempo

(Figura 7.13 C) mediante la ecuación 7.1. Los tiempos de decaimiento obtenidos se

muestran en la Figura 7.13 D. En este caso también corroboramos que la tendencia de

1 2

3 4 5

6

7

8 9

10

11 12

13

A B

0 2 4 6 8 10 12 14

200

400

600

800

# ROI

tiem

po d

e de

caim

ient

o (s

)

0 60 120 180 240

2200

2400

2600

tiempo (s)

Inte

nsid

ad p

or p

ixel

C D

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

201

reclutamiento obtenida en la región 13 no es producto de utilizar un valor de bkg

diferente para el ajuste.

Puede notarse que las regiones 1 a 10 presentan valores de � similares, todos por

debajo de los 300 segundos. Sin embargo, en las regiones 11 y 12 parece reclutarse la

vinculina haciendo que el decaimiento se produzca en tiempos característicos mayores,

del orden de los 450 segundos. Estas ROIs corresponden a las adhesiones focales más

cercanas a la zona de interacción y estarían reclutando la proteína en respuesta al

estímulo aplicado.

En la región correspondiente a la zona de contacto con la punta funcionalizada

se obtuvo un valor de � claramente mayor, lo que sugiere no sólo que se está reclutando

proteína en la zona de interacción específica, sino que este proceso se da a una tasa

mayor a la obtenida para el reclutamiento en FAs ya formadas. Estos resultados

sugieren entonces que como respuesta al estímulo mecánico-funcional, la vinculina se

recluta no sólo en adhesiones focales ya formadas sino también en la zona de la

interacción específica célula-fibronectina como una posible primera etapa en la

formación de nuevas FAs.

Por último, se estudió la dependencia del tiempo de decaimiento en la zona de

contacto, en función del radio de la región analizada. Con este análisis, que se muestra

en la Figura 7.14, pretendemos estimar el orden del tamaño de la zona en la que se está

produciendo el reclutamiento.

0 5 10 15 20

500

750

1000

1250

radio ROI (pixeles)

tiem

po d

e de

caim

ient

o (s

)

Figura 7.14. Estimación del tamaño de la zona de reclutamiento de vinculina. Tiempo de

decaimiento característico, en función del radio de la región utilizada para el análisis de la intensidad

media; donde el centro de cada región corresponde al punto de interacción punta-célula. En un radio de

entre 3 y 5 píxeles (~0.5-0.8 µm) el � obtenido no cambia significativamente, mientras que a partir de 6

píxeles de radio el valor decae probablemente por promediar zonas donde no se recluta proteína. Para una

región muy pequeña la intensidad media tiene mayores fluctuaciones por lo que los ajustes de los

primeros dos puntos tienen una incerteza considerable.

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

202

Se puede ver que un radio de entre 3 y 5 píxeles (correspondientes a un intervalo

de aproximadamente 0.5-0.8 µm) el � obtenido no cambia significativamente, mientras

que a partir de 6 píxeles de radio el valor decae, probablemente debido a que el área

analizada es mayor y se promedia la intensidad en zonas donde ya no se recluta

proteína. Este resultado sugiere que el área aproximada de la zona de reclutamiento

tiene un radio del orden de 0.8 µm, lo cual sumado a la forma de la estructura que se

visualiza en las imágenes hace pensar que la zona de reclutamiento copia la forma de la

punta funcionalizada del sensor de fuerza.

7.6 Conclusiones

A partir de los resultados presentados en este capítulo, podemos afirmar que el

microscopio combinado AFM/Fluorescencia desarrollado en el Laboratorio de

Electrónica Cuántica no sólo es capaz de obtener imágenes combinadas en condiciones

fisiológicas sino que alcanza la resolución requerida para cuantificar fuerzas de

interacción entre moléculas individuales.

Se caracterizó con éxito la interacción biotina-estreptavidina en condiciones

fisiológicas, obteniendo un valor de fuerzas de (209 ± 7) pN, consistente con el valor

esperado.

Se obtuvieron imágenes de fluorescencia de adhesiones focales en células vivas,

marcadas con distintas proteínas de las FAs unidas a VFPs, con alta calidad óptica. Se

obtuvieron también imágenes combinadas de AFM y fluorescencia de células in vivo. El

microscopio combinado presenta la ventaja de que la platina del AFM tiene un rango

vertical de movimiento de 20 µm, lo que hace que tomar imágenes AFM de células

vivas sea de rutina.

Los experimentos estímulo-respuesta son el corolario de este trabajo de Tesis en

los que se ilustra el desafío que representó la integración del diseño, la implementación

y la optimización de las microscopías con el fin de entender cómo la fuerza gobierna la

morfodinámica de las adhesiones focales. Es así que los experimentos demostraron que

mediante el uso del microscopio combinado AFM/Fluorescencia se pueden estudiar

respuestas biológicas tan complejas como el reclutamiento de las proteínas en las FAs,

su remodelación y translocación en función de la fuerza externa aplicada. El análisis a

través de un método sencillo, sin ningún tipo de correcciones, nos permitió detectar la

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7. Microscopía Combinada AFM/Fluorescencia

203

acumulación de la zixina en adhesiones focales maduras en respuesta a la interacción

específica célula-fibronectina sumada a una fuerza aplicada. Observamos también el

reclutamiento de la proteína vinculina para la formación de una nueva adhesión focal

como respuesta al estímulo mecánico-funcional.

7.7 Referencias 1 Bastiaens P. I.H. and Pepperkok R., Trends in Biochem Sci 25: 631 (2002). 2 Muller D. J., Biochemistry 47: 7986 (2008). 3 Dufrêne Y. F., Evans E., Engel A., Helenius J., Gaub H. E. & Müller D. J, Nat Methods 8: 123

(2011). 4 Hinterdorfer P. en Springer Handbook of Nanotechnology, Springer, p. 476 (2010). 5 Galbraith C. G., Yamada K. M., and Sheetz M. P., J Cell Biol, 159: 695 (2002). 6 Yu C., Law B. K., Suryana M., Low H. Y. and Sheetz M. P., PNAS, 108: 20585 (2011). 7 Fuentes D. E., Bae C. and Butler P. J., Cell Mol. Bioeng.,4: 616 (2011). 8 Zamir E., Katz M., Posen Y., Erez N., Yamada K.M., Katz B.Z., Lin S., Lin D.C., Bershadsky

A., Kam Z., and Geiger B., Nat. Cell Biol. 2:191 (2000). 9 Ingber D., J Cell Sci, 116: 1157 (2003). Ingber D., J Cell Sci, 116:1397 (2003).

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VI. Conclusiones

generales

y perspectivas

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VI. Conclusiones generales y perspectivas

207

En este trabajo de Tesis se pusieron a punto diferentes metodologías que

permitieron estudiar interacciones entre biomoléculas en distintos sistemas biológicos:

desde plataformas biomiméticas hasta células vivas. Se trata de un trabajo de carácter

interdisciplinario, en el que dada la complejidad del tipo de preguntas que queremos

contestar se desarrollaron y combinaron herramientas de nanotecnología, microscopías

y espectroscopías avanzadas, fisicoquímica de superficies y biología molecular y

celular. En particular se implementaron técnicas asociadas a dos tipos de microscopías:

Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) y Microscopía de Fluorescencia. Se colaboró

también en el desarrollo de un microscopio híbrido AFM/Fluorescencia en el que

pueden combinarse todas las técnicas desarrolladas independientemente para una u otra

microscopía.

Mediante un sistema biomimético basado en reconocimiento molecular, se

demostró que la AFM es una herramienta versátil, que permite caracterizar un sistema

en condiciones fisiológicas. Se realizó un análisis de la arquitectura controlada de un

biosensor amperométrico enzimático, ensamblado capa-por-capa basado en

reconocimiento molecular. A través del estudio de la topografía, el análisis espectral y

de la rugosidad de cada capa, se obtuvo información sobre el funcionamiento general

del biosensor y las interacciones biomoleculares entre las proteínas que se ensamblaron

en cada capa.

Se puso a punto la AFM para la medición de fuerzas de interacción

moleculares, empezando por la implementación de un método térmico para la

calibración precisa de las constantes elásticas de los sensores de fuerza. Se midieron

fuerzas de interacción moleculares, que van desde un sistema sencillo como son los

grupos químicos funcionales, hasta un complejo ligando-receptor en la membrana de

células vivas. La evolución en el desarrollo de la técnica también llevó aparejado el

diseño de estrategias para la modificación química de los sensores de fuerza. Se

midieron fuerzas de interacción entre los grupos funcionales químicos metilo-metilo y

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VI. Conclusiones generales y perspectivas

208

carboxilo-carboxilo, obteniendo los valores de fuerzas esperados. Se cuantificó también,

en el rango de fuerzas esperado, la interacción entre el par ligando-receptor biotina-

estreptavidina, a nivel de moléculas únicas y utilizando diferentes estrategias de

modificación de sustratos. Por último, se caracterizó la interacción RGD-integrina en

células HC11 vivas, obteniendo un valor característico de (37.6 ± 0.7) pN para la

ruptura de un complejo a nivel de moléculas individuales.

Se optimizó la expresión de los plásmidos que codifican las distintas proteínas

de las adhesiones focales (FA): paxilina, zixina, vinculina, FAK, integrina y actina,

unidas a proteínas fluorescentes en el visible (VFPs) en la línea celular HC11. Se

visualizó la localización y la distribución de dichas proteínas en las adhesiones focales,

para células cultivadas tanto en cubreobjetos de vidrio como sobre membranas flexibles

de silicona. Se diseñó y caracterizó un dispositivo estirador para generar un estímulo

mecánico global sobre las células cultivadas en membranas de silicona. Se cuantificó el

estiramiento producido por dicho dispositivo en términos de área de las células,

obteniendo un incremento en el área celular de hasta un 80%. Se observó que, en

respuesta al estímulo mecánico, la proteína zixina se recluta formando adhesiones

focales de mayor área. También se pudo ver que como consecuencia del estiramiento,

dicha proteína transloca a los filamentos de actina.

Mediante la técnica de Recuperación de la Fluorescencia luego del

Fotoblanqueo (FRAP) se estudió la dinámica de las proteínas zixina, vinculina, paxilina

y FAK, obteniendo su constante de disociación a las FAs (kOFF), en células vivas HC11

in situ. Los valores de kOFF medidos indican que zixina posee una disociación más lenta,

que implica un mayor tiempo de residencia de esa proteína en la adhesión. Este

resultado estaría asociado a la participación de la zixina en FAs maduras, sugiriendo que

la asociación/disociación de zixina a las FAs podría ser, en comparación con las otras

proteínas estudiadas, un evento menos dinámico, tal vez relacionado con su

participación en FAs estables en el tiempo. Para la vinculina encontramos dos

subpoblaciones cinéticamente diferentes: una rápida asociada al reclutamiento para la

formación de nuevas adhesiones, y una lenta como proteína que conforma la FA

madura.

En respuesta al estiramiento mecánico, se observó para la proteína zixina un

aumento en el área de la FA indicativo de su reclutamiento en función de la fuerza. Si

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VI. Conclusiones generales y perspectivas

209

bien no se evidenciaron cambios en los parámetros cinéticos de la zixina ante el

estiramiento, sí se obtuvo un cambio en la fracción móvil de esta proteína en relación a

la rigidez del sustrato.

Se estudiaron el estado de agregación y la concentración de las proteínas de las

FAs zixina, paxilina, FAK, y vinculina en células HC11 mediante la técnica Número y

Brillo (N&B). Los resultados indicarían que FAK, zixina y paxilina se encuentran en el

mismo grado de agregación en el citoplasma que en las FAs, mientras que la

concentración de las mismas resulta entre 4 y 6 veces mayor en las FAs que en el

citoplasma. La vinculina presentó dos comportamientos diferentes: en el 50% de las

mediciones analizadas el estado de agregación del citoplasma y la FA es el mismo,

mientras que en el otro 50% de los casos se observa un estado de agregación mayor en

la FA. En todos los casos la concentración de vinculina en las FA es de 5 a 6 veces

mayor que en el citoplasma.

La técnica N&B fue exitosamente aplicada en las mismas células cultivadas en

membranas de silicona, pudiendo correlacionarse estado de agregación y concentración

de la proteína zixina antes y después de aplicar un estiramiento global del sustrato. Se

observó que, en respuesta a dicho estiramiento, las FAs pueden desensamblarse total o

parcialmente y cambiar su morfología. Se mostró que el estado de agregación de la

zixina en las FAs se mantiene constante o bien decrece luego del estímulo. Por otro

lado, se encontró que durante el desensamblado de una FA, la zixina parece agregarse

en una zona interior de la célula, probablemente translocando a los filamentos de actina.

Para analizar el estado de tensión intracelular se utilizó el sensor

intramolecular de tensión basado en la proteína vinculina. Se encontró, a través de la

técnica FRET (transferencia de energía resonante de Förster), que las células cultivadas

sobre fibronectina están sometidas a tensiones aún en ausencia de estímulos mecánicos

externos. Este experimento, realizado en células cultivadas sobre membranas de

silicona, arrojó resultados que sugieren que la tensión a la que está sujeta la vinculina

decrece en respuesta al estiramiento mecánico.

Se trabajó en la adaptación de un microscopio combinado AFM/Fluorescencia

desarrollado en el Laboratorio de Electrónica Cuántica para su utilización en

condiciones fisiológicas y con células vivas. Se demostró que dicho microscopio es

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VI. Conclusiones generales y perspectivas

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capaz de obtener imágenes combinadas en condiciones fisiológicas, con alta calidad

óptica y con un rango vertical para AFM que permite que la visualización de células in

vivo sea de rutina. Mediante la medición de las fuerzas de interacción entre el par

ligando-receptor biotina-estreptavidina, se corroboró que el microscopio combinado

alcanza la resolución requerida para cuantificar fuerzas de interacción entre moléculas

individuales. Utilizando el microscopio combinado AFM/Fluorescencia, se estudió la

evolución temporal de las proteínas de las FAs, zixina y vinculina marcadas con la

proteína verde fluorescente, en respuesta a un estímulo mecánico local y funcional.

Dicha perturbación se realizó de manera controlada empleando la AFM con un sensor

de fuerza funcionalizado con fibronectina. En consecuencia, se observó el remodelado

de las FAs maduras y el reclutamiento de la proteína vinculina para la formación de

nuevas FAs en respuesta a la fuerza local aplicada.

Entender cómo interaccionan las moléculas dentro de un contexto tan complejo

como es una célula viva constituye un gran desafío, que conlleva describir cuáles son,

cómo se componen y cómo funcionan las distintas redes moleculares. Para ello se

requiere comprender cualitativa y cuantitativamente acerca de cómo los componentes

moleculares de las células interactúan unos con otros, y cómo se organizan en módulos

funcionales con tareas discretas específicas que una única clase de moléculas no podría

cumplir. Con las técnicas implementadas en este trabajo de Tesis se buscó correlacionar

la composición, localización, cinética e interacción de proteínas de las adhesiones

focales con el estado de tensión de la célula viva. De esta manera esperamos contribuir a

entender las leyes físicas que gobiernan el proceso de mecanotransducción celular, para

avanzar en una mejor descripción del mecanoma.

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VII. Agradecimientos

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En primer lugar quiero agradecer a CONICET, que me permitió realizar este

trabajo de Tesis mediante las becas Tipo I y Tipo II. Agradezco también a la FCEyN que

me dio el espacio para realizar este trabajo, y en particular al Departamento de Física,

al Centro de Microscopías Avanzadas, al Laboratorio de Electrónica Cuántica y al

Centro Multidisciplinario 1.

Quiero agradecer especialmente a Lía, por la oportunidad de trabajar en el

CMA, y por la confianza que me tuvo desde que empecé con la tesis. Por su

entusiasmo con los experimentos que hacen que uno se contagie tan fácilmente. Por

su infinita paciencia y sus charlas que nunca escatiman en tiempo. Por su apoyo de

siempre, no sólo científico sino también personal. A Andrea también quiero

agradecerle su paciencia que ya viene desde la tesis de grado! por su manera de

transmitir las ideas que hacen que todo parezca más fácil. A las dos las admiro como

científicas pero más por ser grandes mujeres.

A Eli Jares, por su generosidad científica y sus muchas ideas y pilas. A Omar

Azzaroni y Diego Pallarola por la colaboración con el trabajo de los biosensores, que

resultó muy fructífera para mis comienzos con el AFM. A Antonieta, Laura, Cecilia y

todo el grupo de María Elena Vela del INIFTA por todas las consultas acerca de los

tioles con los que supieron ayudarnos siempre.

Al grupo de Peter Hinterdorfer, el AFM-group del instituto de biofísica de Linz,

que supo recibirme y ayudarme con el mundo oculto de las interacciones moleculares

con el AFM. Por mostrarme que este tipo de experimentos son siempre difíciles, no

importa en qué lugar del mundo uno esté. A la Fundación Boehringer Ingelheim Fonds

por permitirme hacer esta estadía.

A Enrico Gratton por sus charlas esclarecedoras con el N&B, por la buena

predisposición.

A toda la gente que me acompañó en estos años por los varios laboratorios por

los que mis experimentos pasaron! y empiezo a nombrar...

A las chicas del CMA, Lore, Mica Caro y Lau, gracias por el aguante!! por la

amistad además de la ciencia. Por los infinitos mates, charlas, brownies y chocolates

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inspiradores!!! A Lore gracias por toda la ayuda con la tesis y las infinitas horas de

discusión y corrección. A Mica por su ayuda con el análisis de las celulitas, a Caro con

la parte química y a Lau con la parte biológica. Hacemos un gran equipo las chicas! A

Silvio no lo voy a incluir entre las chicas, pero también gracias por su amistad y por

hacer del CMA un lugar donde da gusto permanecer! por los infinitos consejos con el

AFM no me va a alcanzar para agradecerle... A Claudia mil gracias por su

predisposición de siempre, su ayuda con la química y por las litografías! ya nos van a

salir las de las proteínas. A Natalio por aguantarnos a todas! (acá sí lo debería incluir a

Silvio).

A Esteban Hoijman por su paciencia total para enseñarnos a trabajar en el

cultivo, y a Martín Masip por compartir esas frustraciones, con ambos y las celulitas

nos divertimos mucho! A Jimena Giudice también le agradezco por darme su versión

de los hechos con el cultivo, que me aportó varias buenas costumbres actuales.

Bueno, al LEC que viene siendo como mi segundo hogar... empezando de

nuevo por Martin Masip y gracias por el Microscopio que nos dejó, y siguiendo por

Martin Caldarola y gracias por el Microscopio en el que se transformó! por la paciencia

con las células y el optimismo de siempre, y también por tooodas las consultas de

matlab-estadística-y miles de asuntos tecnológicos que siempre se entusiasma

respondiendo. A los dos Martines y al resto de los amigos lec de siempre: Gabi, Lau,

Edu, Maxi, Alberto, Pablo, Esteban, Darío y Francisco, porque hacen del trabajo una

alegría.

A Laura Estrada además por su ayuda con el N&B! y a Sofi que nos ayudaba

desde la panza. Gracias también por todos los envíos desde USA, cuánta paciencia!

A Hernán Grecco por la gran ayuda con el FRET y con las ideas para todos los

tipos de análisis, en especial para el análisis de los resultados del combinado. También

por todos los encargos. Y muchas gracias por la confianza para lo que vendrá!.

Todavía me queda el labo del Pabellón 2! A todos por el CM1 porque siempre

nos ayudan con los asuntos biológico-moleculares, y también por su amistad: A Lucía,

Amparo, Martín T., Jime, Yani, Joni, Fran, Jesi, Fede F. Y Fede Coluccio.

Y como si fuera poco, a los que siempre andan por ahí intercambiando asuntos

del confocal, cediendo ratitos de turnos, prendiendo la cámara y ayudando con los

problemas del equipo : Lucía, Estefi y Mariano y Vicky.

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Por último dentro del ámbito académico quiero agradecer a todos, en todos

los niveles que hacen tan grato trabajar y ser docente en el Departamento de Física.

En especial de quienes aprendí mucho como docente por acá: Oscar Martínez, Diego

Grosz y Fernando Stefani. A Mariano y Marta, que desde la Subcomisión de

Doctorado me aconsejaron siempre y me ayudaron para poder llevar al día todos los

temas del doctorado.

Este año ha sido un año difícil en mi vida y creo que no hubiera podido seguir

adelante sin todo el amor de mi familia y de mis amigos, a los que ya se que no me van

a alcanzar las palabras para agradecer.

A mis amigas del alma, Pau, Lupe, Cari, July gracias por estar. A mi hermana de

la vida Meri gracias por el refugio! y qué divertido volver a la convivencia. En tu casa se

escribieron muchas de las páginas de esta tesis, gracias por las horas de charlas que se

seguirán suscitando sin encontrar soluciones de vida pero haciendo el camino tan

ameno!

A mis amigos de la carrera. Corina, Calvo y Curcio gracias por el apoyo en los

momentos difíciles y por no dejarme que me pierda lejos de la ciencia! Corinin gracias

por saber que podemos contar y seguir contando...

Y por último a la flía. A mis paternos por no dejar de cuidarme nunca, aunque a

veces no me deje, porque siempre los necesito. Esta tesis es en gran parte de ustedes.

A mis hermanos no les puedo agradecer sin emocionarme por el amor incondicional

que les tengo. Clari (o Martis) gracias por ser mi ejemplo en la vida y por todo lo que

me cuidás hermanita. Ha, gracia por estar por ahí en tu mundo tan cercano y tan

parecido al mío, gracias por la música :). Al futuro sobri!! que por suerte va a

encontrarse con una tía menos estresada... a Santiago gracias por el apoyo logistico,

sobre todo en las épocas en que necesitaba guardaespaldas! Al resto de mi gran

familia, tíos, primos y abuelas que siempre están, acompañando.

A mi prima Alber, por enseñarme todo lo fuerte que se puede ser. Y a los más

pequeños, porque un abrazo de ellos le cambia el día a cualquiera: Joaqui, Salvi, Emi y

Estani. A Francina por todo el amor que le correspondemos.