Conferencia NANO-CORDOBA 2011: "Auto-estructuración y dinámica de biomoléculas en películas ultra-delgadas"

Autores: M.L. Fanani, N. Wilke y R. G. Oliveira.

Las moléculas anfipáticas presentes en membranas celulares forman espontáneamente
diferentes estructuras estables de pocos nanometros de espesor. En particular, las capas monomoleculares formadas en la interface agua-aire (monocapas de Langmuir) han sido utilizadas durante un siglo para el estudio de las propiedades biofísicas de lípidos y proteínas.
Las monocapas pueden presentar diferentes estados de fase bidimensionales comparables a los estados tridimensionales, los cuales pueden ser descriptos termodinámicamente.
Nuestro interés es estudiar las propiedades dinámicas, reológicas, estructurales y
termodinámicas de estas estructuras auto-ensambladas con la perspectiva de aportar al
entendimiento de su función biológica. Los sistemas bajo estudio pueden ser desde lípidos o proteínas puras a mezclas tan complejas como las presentes en membranas naturales. Para llevar a cabo nuestros estudios contamos con técnicas microscópicas (microscopía de fluorescencia, confocal, de Ángulo de Brewster, elipsometría de imágenes) los cuales nos permiten conocer propiedades estructurales, dinámicas y electrostáticas de estos sistemas.

XVII Congreso Argentino de Fisicoquímica y Química Inorgánica: “Miscibilidad de dominios lipídicos líquidos en monocapas ternarias"

Autores: Maria Laura Fanani y Bruno Maggio

Introducción: La incorporación de colesterol a membranas artificiales de fosfolipidos induce la formación de fase liquido-ordenado (Lo), la cual muestra un umbral de miscibilidad al aumentar la temperatura o la presión de superficie del sistema.
Objetivos: Estudiar como los cambios de presión de superficie modulan la organización molecular de monocapas lipídicas ternarias de Langmuir que presentan coexistencia de fases liquido-expandida (LE) y Lo.
Resultados: Se analizaron mediante isotermas de compresión y microscopia de Angulo de Brewster monocapas de Langmuir compuestas por una fosfatidilcolina de cadena corta, esfingomielina y colesterol a composiciones que siguen una línea de coexistencia. Pudimos así determinar valores de área molecular promedio (grado de empaquetamiento), potencial de superficie y espesor de estas películas. En las tres mezclas estudiadas observamos presencia de dominios circulares con características Lo (ricos en colesterol) inmersos en una fase continua LE (rica en fosfatidilcolina) (fig. a-c) los cuales presentan un umbral de miscibilidad a ≈25mN/m (a presiones superiores solo se observa una fase de propiedades intermedias). Esta transición tiene características de punto critico (fig. d) cuando el área de ambas fases es comparable. Además, observamos que la diferencia de espesor entre ambas fases disminuye con la presión debido tanto a que la fase mas delgada (LE) aumenta su espesor como a que la mas alta (Lo) disminuye su espesor. En base a estos datos experimentales desarrollamos cálculos que nos permitieron estimar el área molecular promedio y la composición de las fases en coexistencia.
Conclusiones: Un aumento de la presión de superficie induce un enriquecimiento de la fase Lo en fosfatidilcolina reduciendo tanto el salto composicional entre las fases como la diferencia de espesor entre ellas, llegando a un mínimo de diferencia de espesor necesario para mantener un borde estable. Utilizando un modelo teórico desarrollado por otros autores calculamos la energía de línea involucrada en el mantenimiento de la interfase lateral de los dominios. Este considera la desventaja energética de deformación de las fases para minimizar la exposición de superficie hidrofobica al agua. La mínima diferencia de espesor encontrada en nuestro sistema da cuenta de una energía de borde comparable a la energía térmica. De esta forma este trabajo provee un marco teórico para interpretar el umbral de miscibilidad de fases inducido por presión característico de monocapas con coexistencia de fases LE/ Lo.

Este trabajo se realizo con aportes de: CONICET, FONCyT, SECyT-UNC, ACC-MinCyT (Córdoba).

Congreso SAB 2011:“Estudio de la estructura y dinámica de biomembranas bajo la acción de la enzima esfingomielinasa”

Autores: Elisa Ale, Bruno Maggio y Maria Laura Fanani.

En el presente trabajo se propuso como objetivo estudiar los cambios estructurales inducidos por la acción de la enzima esfingomielinasa (SMasa) sobre monocapas lipídicas ternarias que presentan coexistencia de fases LE (líquido expandida) y Lo (líquido ordenada). Para esto se utilizaron mezclas de fosfatidilcolina (PC)/esfingomielina (SM)/colesterol (Chol) donde la composición de todos los componentes son cambiados simultáneamente para que las mezclas coincidan en una misma línea de coexistencia de fases. De esta forma las mezclas presentan fases LE y Lo de la misma composición pero en proporciones diferentes [1]. Las técnicas empleadas incluyen Microscopía de Ángulo de Brewster y monocapas de Langmuir. Para las mezclas que presentan mayoritariamente LE se observó un patrón similar al observado frente a SM pura: luego de la inyección de SMasa en la subfase se observa la nucleación y crecimiento de una nueva fase condensada rica en el producto de la reacción de hidrólisis de SM: ceramida (Cer), que en presencia de dominios Lo se acumulan en la interfase lateral preexistente. La mezcla de composición 1:1:1 presenta un aumento considerable del área que ocupa la fase Lo, sin aparición de los característicos dominios de Cer, y la aparición de dominios brillantes (de espesor mayor a una monocapa lipídica). Las mezclas ricas en fase Lo muestran la aparición de nuevas fases de diversos espesores con bordes lisos y numerosos dominios brillantes. Además, se realizaron las premezclas correspondientes reemplazando SM por Cer en distintas proporciones con el fin de corroborar si la forma en que se produce Cer influye en las características finales que adquiere la monocapa. Los resultados señalan que los efectos producidos por SMasa en el tiempo son marcadamente diferentes dependiendo de las proporciones iniciales de cada fase, mostrando diferentes modos estructurales de acomodar a la ceramida producida enzimáticamente.
1. M.L. Fanani and B. Maggio, J. Phys. Chem. B 115 (2011) pp. 41-49.
Agradecimientos: Financiado por CONICET, FONCyT, SECyT-UNC, ACC-MinCyT Córdoba.