Un equipo del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC),  que el año pasado consiguió medir, por primera vez la polarización eléctrica del DNA –una propiedad fundamental vinculada a las funciones biológicas–, ha realizado un avance todavía mayor hacia la comprensión de las propiedades dieléctricas de los constituyentes celulares. Los investigadores, desde la sede del instituto en el PCB, han conseguido medir la polarización eléctrica de los principales componentes de la membrana celular –lípidos, esterols y proteínas– con una resolución espacial menor de 50nm. El resultados de este trabajo –publicado en la revista Nanoescala– son claves para desarrollar nuevos métodos que respondan a la pregunta fundamental de como las membranas celulares se organizan a pequeña escala.

La membrana celular juega un papel esencial y fundamental en el fenómeno bioeléctrico. Encontrado en lugares como las neuronas o las células cardíacas, regula el intercambio de iones entre la célula y el ambiente, así como permite la formación de potenciales eléctricos que pueden propagarse a lo largo de grandes distancias.

Esto también determina la respuesta celular a la aplicación de campos eléctricos externos, determinando así los efectos de estos campos en la función celular o la posibilidad de manipular eléctricamente células individuales mediante técnicas electrocinéticas. En todos estos procesos, la propiedad física clave es la polarizabilidad eléctrica de la membrana, es decir, cómo los dipolos eléctricos de la membrana se orientan en respuesta a un campo eléctrico. El grupo del IBEC Caracterización Bioléctrica a la Nanoescala ha desarrollado una técnica para acceder a esta propiedad con una resolución espacial sin precedentes.

Para alcanzar su objetivo los investigadores aumentaron la sensibilidad y la precisión de la metodología que ellos han desarrollado en el IBEC durante varios años, que se basa en la microscopía de fuerza electrostática (EFM) para permitir su uso con sustratos aislantes como la mica o el vidrio, que son comunes en la investigación de la biomembrana. Esta técnica les permite no solo explorar la morfología a pequeña escala de los complejos biológicos, sino que también para medir su polarizabilidad eléctrica por primera vez. El revelar esta propiedad eléctrica inherente que hace a cada biomembrana única, los investigadores ahora pueden predecir de manera realística la funcionalidad eléctrica de estos constituyentes celulares y obtener una mayor comprensión del papel esencial que tienen en nuestro cuerpo.

“Hasta ahora, las técnicas existentes solo habían medido la polarizabilidad eléctrica de las biomembranas con una resolución espacial de algunos micrómetros, perdiendo así la información correspondiente a su ultraestructura” explica Gabriel Gomila, responsable de grupo. “Nuestro éxito en la medida de las biomembranas que son de solo 5 nm de espesor con una resolución espacial de 50 nm abre el acceso de la caracterización dieléctrica a la nanoescala a las propiedades eléctricas locales de cada tipo de biomembrana”. Como ejemplo, los investigadores proporcionan las propiedades eléctricas de las biomembranas hechas de proteínas, lípidos y colesterol, que son los componentes principales de las membranas celulares naturales.

“Con este trabajo hemos llevado aún más adelante las capacidades de una técnica desarrollada durante varios años en el IBEC, y cada vez estamos más cerca de alcanzar el límite de una única molécula,” afirma Laura Fumagalli, una antigua miembro del grupo ahora en la Universidad de Manchester. “Aquí nosotros hemos alcanzado el límite de cientos de moléculas y de predecir la capacidad para alcanzar el límite de una única biomolécula en un futuro próximo”.

Además, este descubrimiento puede abrir la puerta al desarrollo de un nuevo método de caracterización de la biomembrana a la nanoescala libre de etiquetas, basada en la respuesta dieléctrica local, similar a una que los investigadores ya han desarrollado para una única nanopartícula y virus, lo que podrá responder a la pregunta fundamental de cómo las membranas celulares se organizan a pequeña escala.

Referencia del artículo

Aurora Dols-Perez, Georg Gramse, Annalisa Calo, Gabriel Gomila and Laura Fumagalli (2015). Nanoscale electric polarizability of ultrathin biolayers on insulator substrates by electrostatic force microscopy. Nanoscale, octubre de 2015. Doi: 10.1039/C5NR04983K.