Christian Oelsner, Eugeny Ermilov, Felix Koberling,

Matthias Patting, Marcus Sackrow, Michael Wahl, Rainer Erdmann

PicoQuant GmbH, Rudower Chaussee 29, 12489 Berlin, Germany

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Combination of steady-state and time-resolved luminescence measurement methods is a most valuable and
powerful tool to investigate the photophysical properties of different classes of molecules and molecular
systems, nanoparticles and QDs, polymers, semiconductors, solid-state and biological systems. In recent years,
the study of luminescence properties has become more and more important in many scientific fields, including
Chemistry, Biology, Physics, as well as in Life, Materials or Environ mental Sciences.
The investigations to be carried out in each of these fields impose different requirements. On one side,
monitoring dynamic processes in excited states implicit high time resolution that can be achieved by picosecond
pulsed lasers and fast detectors and scanner along with appropriate time-correlated single photon counting
(TCSPC) units and suitable detectors. On the other side, high spectral and spatial resolution is desirable for
characterization of different materials, which requires detectors with high quantum efficiencies, lasers in burst
mode for phosphorescence measurements, double monochromators and Piezo scanner for small scan steps and
high resolution.
On one hand spectrometers, such as the FluoTime300, equipped with picosecond pulsed lasers, which also
capable to operate in a burst mode, fast hybrid detectors and high end TCSPC cards with optional long time
range modes offer a combined solution for most of needs like high time and high spectral resolution. Additional
equipped with double monochromators even samples with a very high scattering contribution can be studied
with extreme sensitivity. Furthermore, an Instrument Response Function (IRF) of 55 ps (FWHM) can be
achieved by using the subtractive mode of the emission double monochromator and very short fluorescence
lifetimes of even below 10 ps can be resolved.
On the other hand, the combination of microscopic techniques with time-resolved luminescence detection is a
valuable and powerful toolbox to investigate photophysical properties not only of different classes molecular
systems, but also semiconductors, nanoparticles and QDs, polymers, solid-states as well as nano structures.
Understanding of both photophysical processes as well as structure-property relationships are important steps
toward optimization of properties and efficiencies in practical applications.
Finally, the coupling of a spectrometer in terms of time resolution, spectral resolution and the ability to measure
long decays with a confocal microscope enables the detection of time-resolved emission spectra at distinct
microscopic positions of the sample.

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Categoría: Seminario de Biofísica

Procedencia: Laboratorio de Neurobiología, Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICYT)

Resumen: 

Inicialmente se consideró que la neuropatología de la enfermedad de Huntington se originaba por
la muerte de las neuronas espinosas medianas del neo-estriado. Sin embargo, nuevos estudios en
modelos transgénicos indican que las neuronas piramidales de la corteza y los astrocitos del
mismo neo-estriado tienen un papel fundamental en el desarrollo de las alteraciones fenotípicas y
neuropatológicas de la enfermedad. En esta platica describiré la nueva evidencia que implica a
los cambios en la función de microcircuitos corticales

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Categoría: Seminario de Biofísica

Procedencia: Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Resumen: 

La F 1 F O -ATP sintasa es el nanomotor que produce la energía química de todos los seres
vivos en forma de ATP. Como todo motor, puede girar de manera reversible a favor (FMR) o
en contra (CMR) de las manecillas del reloj, en el primer caso sintetizando ATP y en el
segundo hidrolizándolo. En condiciones anaerobias el gradiente de protones disminuye y
entonces el giro del nanomotor se invierte a CMR o de F 1 F O -ATPasa. En mitocondrias,
cloroplastos y bacterias hay subunidades inhibitorias como la IF 1 mitocondrial o la subunidad
ε, que previenen preferentemente el giro inverso CMR del rotor cuando el gradiente de
protones disminuye, durante isquemia o anoxia. En nuestro laboratorio descubrimos una
nueva proteína inhibidora de la ATP sintasa de las α-proteobacterias, particularmente en
Paracoccus denitrificans que denominamos subunidad zeta, después de muchos estudios
resolvimos su estructura y mecanismo de acción, resultó muy interesante pues funciona
como un inhibidor unidireccional, o la uñeta de un trinquete o matraca, es decir inhibe el giro
del nanomotor sólo en el sentido inverso o CMR de F 1 F O -ATPasa, pero no inhibe el giro FMR
de F 1 F O -ATP sintasa. Dado que descubrimos que zeta se une en el mismo lugar de la F 1 que
la IF 1 mitocondrial o la ε bacteriana, proponemos que todos los inhibidores de la ATP sintasa
(IF 1 , epsilon y zeta) funcionan como uñetas-trinquete o matracas. Demostramos además por
primera vez que el papel de estos inhibidores es el de preservar las pozas de ATP
intracelulares, con una mutante nula o knock-out de ζ construida en P. denitrificans
(Pddeltazeta). Estos resultados tienen implicaciones y aplicaciones importantes en el diseño
de nuevos antibióticos contra bacterias patógenas, en el tratamiento de aguas y alimentos
por desnitrificación aumentada de la cepa Pddeltazeta, y en la prevención del daño al tejido
isquémico.

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Categoría: Seminario de Biofísica

Resumen:

En el tratamiento del cáncer, las nanopartículas poliméricas (NPs) pueden utilizarse como vehículos para la
entrega de proteínas citotóxicas. Este enfoque es particularmente útil para proteínas como la saporina que
tienen blancos intracelulares pero carecen de mecanismos de internalización celular bien definidos. En este
trabajo preparamos NPs de ácido poli(láctico-co-glicólico-co hidroximetilglicólico) cargadas con saporina,
con el objetivo de lograr la entrega selectiva de esta proteína en el citosol de células de cáncer de mama
positivo para el receptor HER2. La internalización selectiva de las NPs fue lograda preparando NPs dirigidas
(NPs-11A4) mediante la decoración de la superficie de las NPs con el nanoanticuerpo 11A4, el cual se une de
manera específica al receptor HER2. NPs no dirigidas (NPs-Cys) que carecen de 11A4 en su superficie, fueron
preparadas como control.
Observaciones realizadas por microscopía confocal mostraron la internalización rápida y extensa de NPs-
11A4 en las células HER2 positivas (SkBr3) pero no en células HER2 negativas (MDA-MB-231). En contraste,
las NPs-Cys no fueron internalizadas por células SkBr3 ni por MDA-MB-231.
Citotoxicidad dosis-dependiente sólo fue observada en células SkBr3 cuando éstas fueron tratadas con NPs-
11A4 cargadas de saporina y administradas en combinación con internalización fotoquímica (PCI). Dicha
técnica emplea un fotosensibilizador y exposición local a la luz para facilitar el escape endosomal de NPs,
liposomas, nanogeles y biomoléculas, entre otros. El tratamiento con NPs-11A4 cargadas de saporina en
combinación con PCI inhibió fuertemente la proliferación celular y disminuyó la viabilidad celular mediante
la inducción de apoptosis.
Estos resultados sugieren que un efecto citotóxico selectivo sobre células HER2 positivas puede obtenerse
mediante la encapsulación de saporina en NPs-11A4 empleadas en combinación con PCI.

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Categoría: Seminario de Biofísica

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Categoría: Seminario de Biofísica

Resumen: 

La giardiasis es una enfermedad gastrointestinal de distribución mundial cuyo
parásito responsable es el protozoario Giardia lamblia. Se calcula que alrededor de
260 millones de nuevos casos de giardiasis se generan anualmente en todo el
mundo. Los grupos más afectados son el de inmunocomprometidos y el pediátrico.
En el grupo pediátrico, la manifestación clínica más grave es el síndrome de mala
absorción, donde la giardiasis genera retrasos significativos en el desarrollo físico
e intelectual del paciente. Los tratamientos actuales incluyen la administración de
un amplio grupo de antiparasitarios disponibles; sin embargo, la existencia de
cepas resistentes, el denominado “fallo al tratamiento” y los efectos adversos por el
uso de estos medicamentos, limitan su utilización. Lo anterior genera la necesidad
de desarrollar nuevas moléculas antigiardiásicas, así como la búsqueda de nuevos
blancos farmacológicos.
Hace algunos años identificamos que los inhibidores de la bomba de protones
gástrica (PPI por sus siglas en inglés) presentan actividad antigiardiásica, donde la
enzima glucolítica triosafosfato isomerasa de G. lamblia (GlTIM) es una de los
potenciales blancos farmacológicos. Por tanto, utilizamos el andamio molecular de
los PPI para diseñar y sintetizar nuevos compuestos, con el objetivo de
incrementar su capacidad antigiardiásica a través de la inactivación de la GlTIM.
Los datos demostraron que dos nuevos derivados de PPI (BHO2 y BHO3) tuvieron
mejor actividad antigiardiásica que el omeprazol a concentraciones micromolares,
pero sin efecto citotóxico en cultivos de células de mamíferos. Los nuevos
compuestos inactivan a la GlTIM a través de la modificación química del residuo
Cys222, promoviendo cambios en la estructura local de la enzima. Además, los
compuestos forman uniones al residuo de Cys de tipo C-S. En este estudio
demostramos que los PPI pueden utilizarse como andamios moleculares para el
diseño de mejores compuestos antigiardiásicos. Adicionalmente, proponemos un
nuevo mecanismo de reacción para los nuevos compuestos.

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Categoría: Seminario de Biofísica

Procedencia: Instituto de Fisiología Celular, UNAM

Resumen

En pasadas décadas, el diseño de fármacos asistido por computadora (CADD
por siglas en inglés) se ha posicionado como uno de los enfoques más
útiles para guiar la investigación en etapas tempranas del desarrollo de
inhibidores. Particularmente, algoritmos de acoplamiento molecular han
sido ampliamente usados con el fin de identificar las posibles
interacciones moleculares, entre proteína blanco e inhibidor propuesto,
que pudieran dar sustento a la formación del complejo
Proteína-Inhibidor. Esta evaluación es realizada mediante funciones
evaluadores que relaciona patrones geométricos, de las moléculas
interactuantes, con valores de energía libre de enlace. Sin embargo, la
predicción exacta y precisa de la energía libre unión, junto con la
conformación del complejo, siguen siendo un problema abierto. En
consecuencia, los resultados de acoplamiento presentan una alta tasa de
falsos positivos. La alta complejidad del proceso fisicoquímico, junto
con la gran cantidad de información estructural disponible, hacen
atractivos el empleo de técnicas de aprendizaje de máquina para atender
el problema. En la plática, se revisarán brevemente los problemas
asociados con las funciones de evaluación actuales y se presentarán
resultados preliminares sobre la reducción de falsos positivos mediante
la implementación de algoritmos de aprendizaje de máquina.

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Categoría: Seminario de Biofísica

Procedencia: Redox Biology Center & School of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences. University of

Nebraska-Lincoln. Lincoln, NE 68583

Resumen: 

Las exposiciones a agentes ambientales como los pesticidas y metales son consideradas como
factores de riesgo para el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad
de Parkinson (PD). Sin embargo, por si solo, ningún factor ambiental puede ser la causa única
por lo que se considera que el envejecimiento y la interacción de genes y exposiciones
ambientales contribuyen al daño neuronal de estas enfermedades. Sin embargo, los
mecanismos involucrados en la toxicidad de agentes xenobióticos ambientales no han sido
esclarecidos aún. Utilizando células neuronales dopaminérgicas nosotros evidenciamos que la
toxicidad del paraquat (pesticida asociado a la PD) y del manganeso (MnCl 2 , cuya exposición
también induce parkinsonismo) se ve aumentada en células que sobrexpresan la proteína
alpha(α)-sinucleina cuya mutación y acumulación es considerada como un biomarcador de la
PD. Al estudiar el metabolismo de la glucosa, el substrato energético más importante del
cerebro adulto, utilizando isotopos marcados (13C-glucosa) evidenciamos que la α-sinucleina
bloquea la glicólisis. Mediante ensayos enzimáticos y de immunoprecipitación, determinamos
que la α-sinucleina bloquea la actividad de la aldolasa, lo que aumenta el flujo de carbonos a la
via de las pentosas fosfato y también inhibe el metabolismo mitocondrial, lo q explica el
incremento en la toxicidad del paraquat y el MnCl 2 , respectivamente. Adicionalmente, la
inhibición de la cinasa que se activa por AMP (AMPK) señalización también aumento la
interacción toxica entre α-sinucleina y el paraquat o el manganeso. Nuestros resultados
demuestran por primera vez un mecanismo común por el cual la α-sinucleina aumenta la
toxicidad de agentes tóxicos ambientales exponiendo un mecanismo de interacción gen-
ambiente con potencial de ser evaluado como blanco en futuros acercamientos terapéuticos.

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Categoría: Seminario de Biofísica

Procedencia: Imagen Molecular Aplicada y Hospital Ángeles San Luis

Resumen:
La medicina nuclear es la única rama de la medicina que usa fuentes
radioactivas abiertas con fines diagnósticos y terapéuticos. Hevesy estableció en
1923 el principio del uso de sustancias radioactivas (“trazadores”) para la
evaluación de procesos biológicos; resulta difícil imaginar que este y otros
descubrimientos, tales como los rayos X por Roentgen, la radioactividad por
Becquerel, la glucólisis anaeróbica en las células tumorales por Warburg y la
solución a la transformada de Radon para la reconstrucción tomográfica un día se
conjugarían para darnos una de las más poderosas tecnologías médicas: la
tomografía por emisión de positrones (PET).
El PET es una técnica de imagen que puede ser fusionada con imágenes
de tomografía computarizada o resonancia magnética, creando imágenes
“híbridas”, que nos permiten conocer tanto el detalle anatómico como el
comportamiento molecular en un estudio de imagen. Así pues, el PET resulta de
suma utilidad en múltiples disciplinas, particularmente en cardiología y
neuropsiquiatría. Sin embargo, es en oncología donde se ha encontrado su mayor
rendimiento por la exigencia de precisión para el diagnóstico y la estadificación del
paciente con cáncer.
El desarrollo de las técnicas de imagen molecular ha traído consigo el
advenimiento de nuevas opciones terapéuticas con herramientas moleculares que,
por su comportamiento, han sido denominadas agentes teragnósticos. Es así
como hemos sido testigos y partícipes del nacimiento y la evolución de la terapia
radiometabólica molecularmente dirigida; sin duda alguna, cada vez nos
encontramos más cerca de la medicina personalizada gracias a la conjunción de
múltiples disciplinas.

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Categoría: Seminario de Biofísica

Procedencia: Weizmann Institute of Science

Resumen: 

Post-transcriptional regulatory processes may change transcript levels and affect cell-to-cell variability or noise. We study small-RNA regulation to elucidate its effects on noise in the iron homeostasis network of Escherichia coli. In this network, the small-RNA RyhB undergoes stoichiometric degradation with the transcripts of several target genes, as well as upregulates the translation of other target genes, in response to iron stress. Using single-molecule fluorescence in situ hybridization (smFISH), we measured transcript numbers of RyhB-regulated genes in individual cells, as a function of iron deprivation. We observed a monotonic increase of noise with iron stress, but no evidence of theoretically predicted, enhanced stoichiometric fluctuations in transcript numbers, nor of bistable behavior in transcript distributions. Direct detection of RyhB in individual cells shows that its noise is much smaller than that of these two targets, when RyhB production is significant. A generalized stochastic, two-state model of bursty transcription that neglects RyhB fluctuations describes quantitatively the dependence of noise and transcript distributions on iron deprivation, enabling extraction of in vivo parameters such as RyhB-mediated transcript degradation rates. The transcripts’ threshold-linear behavior indicates that the effective in vivo interaction strength between RyhB and its two target transcripts is comparable. Visualization of various transcripts by smFISH and super-resolution microscopy indicates that their subcellular localization is not significantly affected by iron stress. The results do not support predictions of a theoretical model that claims that excluded volume effects favor transcript localization at the cellular poles.

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Categoría: Seminario de Biofísica