El corazón es una máquina mecánica con poco margen de error. A diferencia de las bombas fabricadas por el hombre, el corazón está hecho de tejido blando. ¿Cuáles son las propiedades mecánicas del tejido cardiaco y de sus proteínas constituyentes que sostienen la destacable actividad del corazón? ¿Cómo se ajusta la elasticidad del miocardio para permitir la expansión de los ventrículos durante la diástole? ¿Cómo mutaciones en proteínas con función mecánica desencadenan el desarrollo de miocardiopatías que ponen en riesgo la vida del individuo? Las propiedades mecánicas de las proteínas no son accesibles mediante las técnicas multimoleculares tradicionales, por lo que nuestro laboratorio parte de una aproximación multidisciplinar para intentar responder a todas estas cuestiones. Nos especializamos en métodos de molécula individual que emplean microscopía de fuerza atómica (AFM), capaz de medir el efecto de las fuerzas mecánicas sobre las proteínas. Producimos nuestras propias construcciones de poliproteínas mediante técnicas de biología molecular, y contamos con un equipo de cromatografía líquida de rápida resolución (FPLC) para purificaciones de proteína de alta calidad.
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Regulación de la elasticidad proteica mediante modificaciones postraduccionales rédox
Mediante experimentos in vivo, recientemente hemos descrito que modificaciones postraduccionales (PTMs) de cisteínas enterradas en la estructura de la proteína gigante titina hacen que el tejido cardiaco se vuelva más elástico (Cell 2014, 156:1235). Queremos entender cómo nuestro cuerpo hace uso de este novedoso mecanismo de regulación proteica para modular las propiedades mecánicas del corazón. Con ese objetivo, aprovechamos la exquisita sensibilidad de las técnicas de espectrometría de masas para detectar modificaciones postraduccionales rédox en el tejido cardiaco. Como método independiente y alternativo, también hemos implementado la detección en gel de cisteínas oxidadas y reducidas de titina. Una vez que las modificaciones rédox relevantes han sido identificadas, usamos métodos de molécula individual por AFM para determinar su efecto en la elasticidad proteica. Queremos explorar cómo estas modificaciones postraduccionales mecánicas se encuentran alteradas en enfermedades cardiacas que afectan a la mecánica del miocardio.
Cisteínas conservadas en los dominios inmunoglobulina de titina
Relaciones genotipo/fenotipo en miocardiopatías familiares
Varias enfermedades del corazón implican cambios perjudiciales en las propiedades mecánicas del miocardio. Por ejemplo, en la miocardiopatía hipertrófica el ventrículo izquierdo tiene dificultades para relajarse, lo que hace que la diástole sea ineficiente. En la otra cara de la moneda, en la miocardiopatía dilatada, las paredes del ventrículo se vuelven más delgadas, lo que obstaculiza el bombeo del corazón. De modo interesante, la gran mayoría de las miocardiopatías familiares está causada por mutaciones en genes de proteínas sarcoméricas con funciones mecánicas. Nosotros exploramos la conexión entre la pérdida de regulación de la mecánica de proteínas y el desarrollo de enfermedad cardiaca. Empleando AFM de molécula individual, medimos las propiedades mecánicas de proteínas cuya mutación causa miocardiopatía. Para tener una visión más completa de los mecanismos que inducen fenotipos patológicos estamos estableciendo una amplia red de colaboraciones que incluye cardiólogos clínicos, empresas y científicos con experiencias complementarias a la nuestra para examinar varias rutas celulares que podrían estar afectadas por mutaciones. Este esfuerzo colaborador es facilitado por el enfoque traslacional del CNIC, que reúne a científicos básicos y otros más orientados hacia la aplicación práctica de sus resultados con médicos.
Proteínas con función mecánica en el sarcómero.
Desarrollo de biomateriales que imitan la regulación de la elasticidad muscular
Integrando todo lo que estamos aprendiendo acerca de la mecánica del músculo, estamos desarrollando biomateriales proteicos que imitan la regulación de la elasticidad muscular. Mediante una estrategia de entrecruzamiento dirigido, somos capaces de polimerizar poliproteínas para formar hidrogeles cuya rigidez podemos medir en el laboratorio gracias a dispositivos construidos por nosotros mismos. Resultados previos sugieren que el desplegamiento y el replegamiento de los dominios poliproteicos del gel contribuyen de forma clave a la elasticidad del biomaterial (Macromolecular Materials and Engineering, 2015, 300, 369). Siguiendo estas observaciones, estamos desarrollando plataformas experimentales que nos permiten predecir la rigidez del biomaterial a partir de las propiedades mecánicas de las poliproteínas constituyentes, medidas a nivel de molécula individual. Esto nos proporcionará información valiosa acerca de cómo escalar las propiedades mecánicas de proteínas en ensamblajes macromoleculares, ya sean biomaterales o fibras musculares. También estamos explorando potenciales aplicaciones traslacionales de nuestros biomateriales en regeneración de tejidos e implantes.
