Desarrollos y aplicaciones de la microscopía de fuerzas para el estudio de proteínas y células cancerosas

Abstract

El tema central de la tesis es la microscopía de fuerza aplicada al estudio de sistemas biológicos. Esta es una técnica de los 80 del pasado siglo, que se ha ido abriendo paso junto a técnicas más establecidas como la microscopía electrónica o la difracción de rayos X para el estudio de la materia a escala nanométrica. La microscopía de fuerza ha contribuido grandemente al desarrollo de las nanociencias y la nanotecnología. La proliferación de modos de operación y campos de aplicación crece cada día. Los investigadores han dedicado grandes esfuerzos a la comprensión del proceso de interacción de la sonda, una punta muy afilada, con la muestra. A medio camino entre la física cuántica y el micromundo, entender el nanomundo requiere enfoques multidisciplinarios. La posibilidad de observar moléculas aisladas o estudiar las propiedades de células vivas despiertan gran interés, entre otros campos, para las investigaciones médicas. La tesis está dividida en dos partes. La primera parte (capítulos del 1 al 4) está enfocada a la microscopía de fuerza modulada en amplitud, aplicada al estudio de proteínas aisladas en aire y a la operación en medio líquido. La segunda parte (capítulo 5), al estudio de las propiedades mecánicas de células cancerosas y no-malignas. El capítulo 1 sienta las bases del funcionamiento del microscopio de fuerza. Se introducen los modos de operación que se utilizarán y las estrategias de calibración del equipo. En el capítulo 2 se discuten los aspectos fundamentales para tomar imágenes de alta resolución de moléculas aisladas en aire: cómo evitar la degradación de la punta, qué régimen de oscilación utilizar, humedad relativa, amplitud y frecuencia de trabajo entre otros. Como ejemplo, se muestran imágenes de alta resolución de anticuerpos IgG. En el capítulo 3 se estudia el mecanismo de acción de un anticuerpo antitumoral tipo IgG y su blanco, una glicoproteína de estructura y tamaño similares. Como soporte, se introducen conceptos de cinética química y se emplean técnicas de bioquímica para abordar el problema con un enfoque integral. El capítulo 4 aborda la física de la interacción de la palanca con la muestra. Se discuten la relación entre la amplitud y la fase de la palanca (observables clásicos en la microscopía de fuerza modulada en amplitud) con la generación de armónicos superiores y cómo todo esto se relaciona con la energía disipada en medio líquido. Finalmente, el capítulo 5 aborda el estudio de células por microscopía de fuerza desde dos puntos de vista. El primero es la visualización combinada por microscopía de fuerza y de fluorescencia de células fijadas. El segundo, la caracterización de las propiedades elásticas de las células vivas mediante espectroscopía de fuerzas. Se comparan 4 líneas celulares de origen epitelial, 3 malignas y una no-maligna.