Detección, localización y análisis de eventos singulares de reconocimiento molecular mediante microscopías avanzadas

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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 espacia...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: von Bilderling, Catalina
Formato: Tesis Doctoral
Lenguaje:Español
Publicado: 2013
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5343_VonBilderling
Aporte de:
Biblioteca Digital - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA) de Universidad de Buenos Aires
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description 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-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 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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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-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 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. 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, biotinstreptavidin. We were able to characterize the fibronectin binding site RGD-integrin 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 RGDintegrin 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. Fil: von Bilderling, Catalina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. 2013 Tesis Doctoral PDF Español info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5343_VonBilderling

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