Primer Día de Afiches BioMinds 2009

El sábado 21 de marzo de 2009 se llevó a cabo en las facilidades de “Bioprocess Development and Training Complex” en Mayaguez el primer “BioMinds Research Day” con una participación impresionante de estudiantes y profesores de la Universidad de Puerto Rico. Como parte de la actividad, los estudiantes participantes del programa de mentoría de BioMinds tuvimos la oportunidad de compartir los logros del esfuerzo hecho durante los semestres de trabajo bajo el programa. Como parte de este blog incluyo mi reseña de tres de los afiches que tuve la oportunidad de ver durante la actividad. Además tuve la oprtunidad de hablar con los investigadores y, en general, pienso que tenían un buen dominio del tema y un interés genuino por su investigación. Samaria Villalobos, estudiante de Microbiología Industrial en la UPR de Mayaguez, investiga la flora microbiana de un planta de tratamiento en Puerto Rico. El conocer el tipo de microorganismos presentes luego del tratamiento de aguas sienta las bases para mejorar los procesos de limpieza y tratamiento de aguas. Además, esta investigación puede ser usada para desarrollar métodos de investigación para estos propósitos, ya que los hallazgos obtenidos en este caso específico, no son transferibles a otras plantas de tratamiento en la isla debido a que la flora microbiana es función de la localización de la planta de tratamiento. Actualmente la investigación se encuentra en el proceso de clasificar organismos. Por otra parte, Iliane Miranda Fonseca, también de la UPRM pero estudiante del departamento de Biotecnología Industrial, forma parte de la investigación relacionada a energía alternativa. El propósito de su investigación es indentificar bacterias capaces de degradar compuestos complejos como, la celulosa y el almidón para ser convertidos en azúcares simples y así puedan fungir como materia prima para la producción de bio-combustible. Hasta ahora han podido escontrar microorganismos que selectivamente degradan diferentes compuestos, pero aún no han podido determinar específicamente la identidad de los mismo. Por último deseo hablar de la investigación que más me llamó la atención, en la cual Nicole Villafañe, estudiante de la UPR en Río Piedras participa. Su investigación observa el comportamiento de unas enzimas que han sido ligadas al proceso de apoptosis en células cancerosas. La investigación se enfoca en la logística de la enzima en el proceso apoptótico de las células. Como resultado de esta investigación, se ha logrado identificar un oxiesterol como posible agente quimioterapéutico. En general, la experiencia de conocer las investigaciones de otros estudiantes es una actividad que siempre me ha interesado. Aunque tal vez el tema no sea de mi total interés, siempre he considerado la investigación científica un arte y encuentro el tiempo para conocer los intereses de los demás y compartir conociemiento científico con personas que se interesan en el conocimiento al mismo nivel que yo.

Segunda Entrada (Segundo Semestre 2008-2009)

Al principio de semestre logré formar fibrilos amiloidales en el laboratorio. La figura 1 muestra cómo se pueden visualizar los aglomerados de fibrilos bajo un microscopio de luz. En la imagen no se puede apreciar la forma de los fibrilos, pero si se pueden diferenciar las regiones en donde se encuentran. Bajo microscopía electrónica, los fibrilos amiloidales se ven como en la figura 2, donde también podemos apreciar la estructura de fibrilos individiales en detalle. El próximo paso en esta parte del proyecto es hacer un estudio cinético de la formación de estos amiloides. Esta será realizada utilizando un espectro de fluorescencia ultravioleta. La solución con la proteína es marcada con ThT el cual brilla de un color verde brillante bajo luz ultravioleta en presencia de amiloides. Se irán registrando datos de flourescencia desde que se coloquen las muestras en el intrumento para así monitoriar el progreso en el desarrollo de los amiloides y caracterizar la fibrilazión.

Por otra parte, está el desarollo del hidrogel utilizado para el confinamiento de la proteína. En este momento me encuentro en el proceso de caracterización del hidrogel y estuve realizando en las pasadas dos semanas las pruebas conocidas como “Swelling” para determinar el tamaño de la red polimérica. Resultados de estas pruebas determinan cuan apto es el hidrogel, en términos de tamaño, para que la proteína, antes de la fibrilización, se aloje en su interior. Obtuve resultados numéricos que aun no he analizado, pero por experiencia en pruebas de “swelling” previas, puedo decir que la formulación nueva del hidrogel es adecuada para el propósito para el cual fue desarrollado.

Por último se encuentra la parte teórica del proyecto, de la cual también soy parte activa. Mi tarea es diseñar el hidrogel en la computadora, para poder hacer la simulación de una fibrilación dentro de el. Hasta ahora así es cómo se ve mi trabajo, figura 3.

Figura 2. Fibrilos amiloidales bajo microscopía electrónica

Figura 1. Fibrilos bajo microscopía de luz

Figura 3. Visualización en VMD del hidrogel creado

*Imagen: www.ocamac.ox.ac.uk/…/crossing_lines.JPG
Incluyo también, como parte de esta mi segunda entrada, el abtract correspondiente al afiche que estaré presentando el sábado 21 de marzo en el BioMinds Annual Poster Day.

Abstract:

Effects of Confinement on Amyloid Fibril Formation

Amyloidal fibrils had been of increasing interest due to their relationship with the pathology of at least forty different neurodegenerative diseases, such as Parkinson’s and Alzheimer’s. The conditions at which the amyloidal fibrils form in the body are scarcely understood. In order to develop treatments and diagnosis methods, these conditions need to be accurately identified and thoroughly understood. In the present study, the effect of confinement in the formation of amyloidal fibrils was considered by theoretical and experimental approaches. A Methacrylic Acid (MAA) and Hydroxyethyl Methacrylate (HEMA) cross-linked with Poly(ethylene glycol) dimetacrylate (PEGDMA) hydrogel were experimentally developed. Solutions of bovine insulin were made in solution under stress conditions to produce amyloidal fibrils. Results showed that a suitable hydrogel for protein confinement can be developed and appropriate stress conditions were achievable in order to form amyloidal fibrils in the laboratory. Calculations using a coarse-grained model of a seven amino acids and different number of peptide molecules were performed for a system confined between two plates that simulated the effects that a hydrogel might have. Results showed that the peptides were always in contact at some level in an aqueous-like solution, meaning that aggregation had taken place. The aggregation was dependent on the nature and sequence of the amino acids forming the peptide. A strong dependence between the structure of the aggregate and the degree of confinement was encountered.

Primera Entrada – 2ndo Semestre 2008-09

Para este nuevo semestre continuaré trabajando con el Dr. Gustavo López en el proyecto en colaboración con Dra. Madeline Torres que tiene como objetivo primordial estudiar el efecto que tiene el confinamiento en la formación de fibrilos amiloidales.

1. Es necesario lograr formar fibrilos amiloidales en solución. Este primer paso ya fue realizado con resultados exitosos en las primeras semanas del semestre. El poceso aun necesita optimización, lo cual está en proceso.

2. Previamente se había hecho una formulación en el polímero de confinamiento la cual, según las pruebas de swelling, resultó en una malla justamente el tamaño de l proteína que se desea confinar. Es por esto que otras fórmulas fueron probadas y es necesario realizar pruebas para medir el tamaño de la malla generada.

3. Ya con los pasos anteriores completados, se procede confinar la proteína en el polímero y realizar el proceso de fibrilación nuevamente. Este proceso será entonces optimizado para el hidrogel desarrollado.

4. Se estudiará la fibrilización en diferentes tipos de hidrogel; variando el tamaño de la malla y la carga neta del hidrogel.

Ultima Entrada

Ya está mucho más cerca el final de este semestre, que para mi ha sido uno de lo que más he tenido que trabajar. No tanto en el laboratorio, pero más con las clases. El propósito para esta última entrada es resumir y explicar los resultados obtenidos para los experimentos realizados en este semestre. Bajo un foco global, esta investigación desea estudiar y caracterizar las condiciones a las cuales se forman fibrilos amiloidales y cómo el confinamiento afecta el desarrollo de estas estructuras. Esta investigación tiene principalmente un enfoque teórico en el cual también estoy colaborando (dirigido por el Dr. Gustavo López). Es esta parte del proyecto ya se ha desarrollado la proteína a ser confinada y el polímero de confinamiento está siendo diseñado actualmente. La parte experimental, de la cual estoy a cargo completamente tiene unos avances diferentes. Primeramente era necesario desarrollar y caracterizar el polímero de confinamiento. Esto se hizo, desarrollando diferentes fórmulas de redes poliméricas y realizándole estudios para determinar el tamaño de los espacios disponibles en la red polímerica. Se encontró que la fórmula necesitaba ser ajustada un poco para que la proteína, en su forma natural, pudiera entrar a la red polimérica. Por experiencia previa de investigación se ha encontrado que como esta medida es un promedio, muchas veces no es muy exacta, por lo tanto, puede ser que la fórmula sea justamente lo que se necesita. Aun así, para propósitos de validar los resultados, es necesario proveeer un número de medida de red polimérica adecuado. Otro aspecto para realizar los experimentos de caracterización, es lograr crear las condiciones a las cuales se va a formar el fibrilo amiloidal. Esto se hizo creando soluciones y sometiéndolas bajo ciertas condiciones, para las cuales es conocido que se forman fibrilos amiloidales.   Se realizaron pruebas preliminares para conocer los parámetros para los experimentos que se estarán realizando al final de este semestre. Las soluciones creadas y estresadas fueron sometidas a pruebas de flourescencia, donde en prescencia de fibrilos amiloidales se media un largo de onda de el indicador Th T. Estas pruebas concluyeron en que las condiciones creadas forman fibrilos amiloidales. Próximamente se estarán caracterizando estas condiciones para luego unir los resultados principales del semestre y comenzar a confinar la proteína y formar fibrilos en confinamiento.

Tercera Entrada

El semestre se encuentra en su punto más interesante antes de comenzar su tan esperada culminación. Ha sido uno de mis semestres más fuertes de mi vida colegial, pero espero sea también uno de los cuales más haya aprendido. Así como mismo las clases comienzan a ganar momentum, también lo hace la investgación. Ahora mismo creo que he cumplido con un poco más del 60% de las metas pautadas al principio de este semestre académico. Estoy contenta con los logros alcanzados en la investigación. Hasta ahora se ha logrado desarollar el polímero de confinamiento además de su caracterización. 

Caracterización del Polímero de Confinamiento                                                                                  Este polímero será utilizado para encapsular la insulina y formar fibrilos, así que es importante conocer sus características para poder ser utilizado. Un polímero compuesto por Hidroxyetil metacrilato (HEMA) y Ácido metracrílico (MAA) será utilizado como polímero de confinamiento. Esto es porque ambos polímeros aportan características especiales necesarias para la realización del experimento de confinamiento. HEMA forma un polímero neutral, pero el tamaño de la red no lo suficientemente grande como para que la insulina esté dentro. Por otra parte, el MAA, es un polímero catiónico que forma una malla polimérica lo suficientemente grande como para que la isulina pase y resida dentro de la red. El problema con MAA es que es catiónico y si se utilizara únicamente este para la creación del polímero de confinamiento, mucha de la insulina permanecería fuera de la red polimérica. Una vez creado el polímero de confinamiento, se procedió a realizar las pruebas de hinchamiento. El resultado de estas pruebas es la caracterización en términos de tamaño del polímero. Se encontró que en promedio el espacio disponible en la red polimérica del copolímero de MAA y HEMA a pH 3.2 es de 0.6 Å mientras que ha pH de 7.0 es de 32 Å. El radio hidrodinámico de una molécula de insulina es de 4 nm, o sea, 40 Å, por tanto, si los cálculos son correctos, una molélcula de insulina no será capaz de introducirse a la red polímerica. Estos resultados serán verificados, así como el tamaño de la molécula de insulina. 

Próximamente…

Se realizarán estudios de la formación de los fibrilos en solución y la misma será caracterizada.

Segunda Entrada

Como parte de mi trabajo de investigación para este semestre, tengo la responsabilidad de aprender las técnicas y procedimientos estándares del laboratorio. Entre las técnicas aprendidas se encuentra polimerización con radiación ultravioleta.  Esta técnica la utilizaré para crear el polímero de confinamiento para la proteína. Actualmente estoy desarrollando el polímero con una mezcla de dos polímeros diferentes, HEMA y MAA y a razones diferentes de “cross-linker”. La razón por la cual utilizaré una combinación de “cross-linker” es por la combinación ideal de características que se crea al combinar los polímeros. HEMA es un monómero neutral que permitiría el paso de mi proteína, pero tiene la peculiaridad de que el espacio de malla que crea cuando se polimeriza es muy pequeño como para que la proteína pase. Por otra parte, MAA es un monómero iónico que no permitiría el paso libre de mi proteína, pero cuando polimeriza crea una malla con espacio suficiente para que la proteína pase y se mantenga dentro. Al utilizar una combinación de ambos polímeros, se crea un hidrogel con un tamaño de malla adecuado y con el efecto iónico de uno de los monómeros amortiguado. Estoy utilizando una razón 1:1 molar de monómeros y diferentes razones molares de “cross-linker”. El propósito de variar la cantidad de “cross-linker” es crear un hidrogel flexible para permitir el paso de la proteína.

En términos de progreso logrado versus metas propuestas, podría decir que tengo un 50%. El problema que he enfrentado es que no he recibido mi proteína, por lo tanto, las pruebas que debo realizarle antes de confinarla no las he podido hacer. Debido a este atraso he dedicado mi tiempo al polímero de confinamiento. Espero mis materiales lleguen pronto y pueda comenzar con el estudio de la proteína y de la formación de fibrilos en solución. 

Primera Entrada – Semestre Agosto 2008-2009

Resumen de Verano

Mi proyecto de investigación para semestre pasado culminó con la redacción de una publicación científica. Actualmente se está trabajando en esta publicación, ya revisada, realizando aclaraciones menores para entonces ser aprobada y finalmente publicada.

Durante el verano no trabajé en mi laboratorio, sino que estuve en un internado con la compañía Procter and Gamble en Cincinnati, Ohio como ingeniera de procesos y formulación en el departamento de R&D desarrollando modelos matemáticos para predecir energía necesaria para el proceso de fabricar enjuagues bucales y desarrollando nuevos procedimientos estándares para la planta piloto.

Este semestre reanudo mis labores en el laboratorio de química teórica con un “twist”.

Introducción a la Investigación (2008 – 2009)

Este semestre marca el comienzo de mi tercer año trabajando en el laboratorio de química teórica y computacional del Dr. Gustavo López del departamento de química en nuestra Universidad.  El trabajo teórico realizado en nuestro laboratorio, muchas veces debe ser respaldado por data experimental. Aunque el trabajo experimental no está  directamente ligado con el trabajo realizado en nuestro laboratorio, ya que nosotros no realizamos experimentos, este es una parte esencial en el proceso de validación de nuestros modelos.  Este semestre trabajaré realizando la parte experimental de uno de nuestros proyectos en el laboratorio de ingeniería biomédica dirigido por la Dra. Madeline Torres-Lugo. Estaré trabajando en paralelo a otro estudiante que estará a cargo de las simulaciones.

El Proyecto: Descripción General

Se ha encontrado que muchas enfermedades neurodegenerativas están ligadas a la formación de fibrilos. Los fibrilos pueden formarse cuando una proteína se desnaturaliza perdiendo sus propiedades físicas y, como consecuencia, sus propiedades químicas.  Librizzi y asociados han estudiado los efectos del confinamiento en fibrilos amiloidales de insulina, pero inconsistencias en la metodología hacen poco  confiables sus resultados. Los hallazgos de esta investigación concluían que a mayor confinamiento de la proteína menor la razón de formación de los fibrilos. Nosotros creemos lo contrario (partiendo de simulaciones que se han realizado) y el propósito de este estudio es generar datos empíricos con la capacidad de probarlo.  Los experimentos serán realizados de la misma manera que Librizzi y asociados para hacer posibles las comparaciones en resultados, pero con los arreglos necesarios en metodología.

El Proyecto: Trabajo Actual y Metas

El proyecto está en etapas iniciales. Actualmente me encuentro en la etapa de revisión de literatura y entrenamiento en procedimientos estándares necesarios para realizar los experimentos. Tan pronto los materiales estén disponibles se comenzará con el proceso de estudios de caracterización de la proteína, los fibrilos y el polímero de confinamiento por separado. La meta final para este semestre es estudiar y caracterizar la formación del fibrilo en confinamiento con una sola variable (aun por ser determinada).

TECNICAS APRENDIDAS EN EL LABORATORIO

Pienso que al uno trabajar en un laboratorio de investigación las cosas que uno puede aprender son infinitas, ya que uno puede aprender en lo profesional y lo personal. Como mi trabajo es en química teórica, las técnicas que aprendo y practico son computacionales y relacionadas. En en el tiempo que llevo trabajando con computadoras he aprendido a manejar comandos de Linux y un poco más del lenguaje de computadora. Ya que mi proyecto está comenzando, he visto cómo es el proceso de buscar información en el la literatura teórica y experimental para desarollar el programa que modele mi sistema. También he sido parte del proceso de escribir/editar un programa, ya que anteriormente yo sólo los utilizaba para sacar los datos y luego analizarlos. Yo he trabajado en laboratorios experimentales y pienso que las técnicas qe he aprendido como parte de este grupo de química teórica son más transferibles que los de laboratorios experimentales. Esto es por que yo conociendo las técnicas teóricas a perfección (dentro de un tiempo) puedo entonces generar y modelar cualquier sistema, que a su vez alguien más puede analizar experimentalmente. 

 

Este semestre, al menos para mi, ha sido bien duro y lleno de trabajo y veo que para mucha otra gente también. Al visitar los blogs veo que la gente se esmera en sus investigaciones aun con todo el trabajo de las clases que hay. Espero que todo el mundo siga adelante y sigan echando fruto en sus investigaciones así como en sus clases y obviamente, vida personal, ya que todo eso junto hacen el todo que es cada cada uno de nosotros. 

Visitas a otros Blogs…

Hola nuevamente. Luego de una semana lejos del caos colegial, me tocó estar de vuelta a mis labores de estudiante colegial y es así como reviso mi e-mail y veo que tengo asignados tres blogs para visitar y comentar. Al leer este e-mail me sentí un poco mejor por que en verdad quiero visitar los blogs pero es un poco dificil comenzar. Por ejemplo, elegir un blog pues es tarea dificil y hay tantos que simplemente en un log-in no se pueden ver todos. En fin, visité mis blogs asignados y de los tres me llamó  la atención la investigación de una de mis compañeras de clase, Sirena Montalvo. Ella está estudiando los RUMIANTES, como lo dice el nombre de su blog. Específicamente, Sirena busca caracterizar la flora de la ubre de las vacas para así mejoras las técnicas asépticas y medicinales utilizadas actualmente en ellas. Pienso que es una investigación sumamente interesante y diferente, aunque sinceramente no quisiera estar realizando la misma. Pienso que es una investigación bien práctica y con un fin bastante bueno. Voy a seguir al tanto de esta investigación por que es totalmente diferente a lo que yo estoy haciendo y haré por el resto de mi vida y siempre es bueno aprender de cosas bien diferentes para uno tener presente que lo que uno hace no es lo único ni lo mejor, sino que todas las investigaciones tienen su propósito y su aportación individual e importante a la ciencia.

Wetting Transition…Introductory Entry

En investigaciones previas he realizado estudios de la transición líquido-vapor de fluídos en distintos tipos de superficies.  Mediante métodos computacionales hemos logrado caracterizar este estado de transión ayudando así a un mejor entendimiento de las variables que la afectan (i.e. presión de vapor). Este trabajo actualmente está bajo el proceso de edición con el fin de ser publicado en una revista científica con el propósito de enfatizar el método computacional utilizado. La publicación demuestra que nuestro método es efectivo y deja las puertas abiertas a posibles direcciones de expansión que puede tomar el proyecto. Una de estas vertientes es analizar el “wetting transition” en proteínas, el cual es mi proyecto investigativo bajo el programa BioMINDs. Actualmente se están desarollando los programas (que simularán muestros sistemas y medirán las propiedades termodinámicas necesarias para la caracterización) y se están estableciendo los parámetros necesarios para lograr simular adecuadamente  nuestro sistema. Esto es editar los programas desarollados previamente para las superficies y diseñar computacionalmente  la proteína que deseamos estudiar. Cuando este proceso concluya entonces se procederá con la realización de las simulaciones.

Les muestro esta gráfica para que tengan una mejor idea de cómo logramos caracterizar sistemas utilizando computadoras y no beakers y espectros. Las propiedades que medimos con nuestras simulaciones son tabuladas y arregladas de manera tal que presenten los resultados de manera lógica, ordenada y apreciable. En esta imagen (luego de pelear un rato con el editor… y gracias a el fondo gris nos se ve bien) podemos apreciar el wetting transition en una de las superficies. Vemos que a una presión una de las líneas, siendo cada una de ellas una superficie diferente, da un “salto” en densidad, indicando que se ha formado la capa gruesa de líquido que caraceriza el wetting transition del fluído. En esta gráfica no se pueden apreciar los wetting transitions en las otras superficies y vemos como simplemente el líquido se va acumulando sobre la superficie sin observarse nada especial.