Investigación

Nuestro grupo de investigación estudia la dinámica de procesos físicos y químicos en materiales moleculares, sistemas organizados y biológicos. Utilizamos técnicas espectroscópicas y cálculos mecanocuánticos para obtener información dinámica y estructural de los sistemas investigados. 

Estamos organizados en tres unidades de investigación, especializándose cada una de ellas en técnicas espectroscópicas específicas: fluorescencia con resolución temporal, detección de moléculas individuales y resonancia magnética nuclear. Nuestro objetivo es estudiar la dinámica de una gran variedad de procesos en una amplísima escala temporal, desde procesos extraordinariamente rápidos (investigados mediante técnicas de fluorescencia en escala de picosegundos) a procesos extremadamente lentos (que estudiamos por espectroscopía de RMN) y con extrema sensibilidad (moléculas individuales).

Nuestras principales líneas de investigación en la actualidad son:

• Dinámica de procesos rápidos y ultrarrápidos mediante técnicas espectroscópicas de vanguardia. Espectroscopía de fluorescencia de picosegundos y fluorescencia de moléculas individuales. Dinámica de procesos fotoinducidos.

• Sondas y materiales fluorescentes, y su aplicación en Química y Biomedicina. Estudio dinámico y estructural de sistemas supramoleculares y coloidales. Análisis de agregados de β-amiloides. Dinámica de la asociación de ligandos a secuencias específicas del ADN.

• Cinética y mecanismo de procesos de transferencia protónica y electrónica en estado electrónico fundamental y excitado, reacciones de transferencia protónica en el carbono de sistemas biológicos y reacciones halofílicas.

A continuación describimos algunas de las investigaciones en las que estamos trabajando.

Mercedes Novo and Wajih Al-Soufi

Las fibras de amiloide son agregados insolubles con morfología fibrilar y estructura de lámina beta que causan varias enfermedades llamadas amiloidosis debido a su plegamiento anómalo. Entre los diferentes péptidos de tipo amiloide tienen especial importancia los beta-amiloides debido a su papel primordial en la enfermedad de Alzheimer. Los beta-amiloides se acumulan en el cerebro como placas insolubles formadas principalmente por los péptidos de 40 y 42 aminoácidos (Aβ40 and Aβ42), aunque estos últimos están en mayor proporción.

Sobre la base de nuestra experiencia en el estudio fotofísico de marcadores fluorescentes y en las técnicas de fluorescencia de moléculas individuales trabajamos en las siguientes líneas de investigación relacionadas con los beta-amiloides:

  • Estudio de la formación de agregados tempranos de beta-amiloides como agentes tóxicos en la enfermedad de Alzheimer.
  • Desarrollo de marcadores fluorescentes para la detección cuantitativa de agregados de beta-amiloides.
  • Caracterización fotofísica de la Thioflavina T (ThT), que es el marcador más comúnmente utilizado para la detección de fibras de amiloide.
Unidad de investigación: Fluorescencia de Moléculas Individuales
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Manuel Mosquera González, M. Carmen Ríos Rodríguez, Flor Rodríguez Prieto

En un reciente trabajo (Phys. Chem. Chem. Phys. 2018) hemos podido demostrar que los dímeros de agua (o alcohol) determinan la desactivación de la fluorescencia de N-metilquinolinio. Nuestros resultados son consistentes con la existencia de un proceso fotoinducido de transferencia protónica y electrónica acoplada (PCET) en un complejo intermedio del quinolinio excitado con un par de moléculas de los compuestos hidroxílicos, unidos por enlace de hidrógeno. En estos pares, una molécula de agua o alcohol es capaz de donar un electrón al quinolinio excitado y un protón a la segunda molécula hidroxílica, mostrando un poder reductor incrementado en comparación con la molécula aislada.

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Manuel Mosquera González, M. Carmen Ríos Rodríguez, Flor Rodríguez Prieto

Los estudios sobre la la dinámica y el mecanismo de procesos de transferencia protónica están orientados a comprender aspectos químicos esenciales de los procesos ácido-base y a desentrañar el mecanismo de transporte de protones a través de las membranas biológicas o de las membranas de intercambio protónico de las pilas de combustible, consideradas como principales alternativas “verdes” a los actuales motores de combustión.

El objetivo de nuestra investigación es avanzar en el conocimiento de la influencia del medio sobre la dinámica de las reacciones de transferencia protónica, con el propósito de mejorar tanto el conocimiento de la reacción en medios condensados como la comprensión estructural y dinámica del medio en el que transcurre la reacción y la naturaleza de las interacciones con las especies reaccionantes.

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Mercedes Novo and Wajih Al-Soufi

Los tensioactivos, que son moléculas anfipáticas con fuerte acción detergente, tienen interés como modelo de estudio de procesos de autoagregación y de sistemas supramoleculares ligando-receptor. Los agregados de tensioactivos, denominados micelas, presentan una gran similitud estructural con las membranas biológicas pero son sistemas mucho más sencillos, por lo que facilitan el estudio de los procesos de intercambio de materia en este tipo de sistemas. Nuestros estudios de la dinámica de intercambio de colorantes con agregados micelares mediante FCS demostraron que las micelas se comportan como cavidades "blandas" o flexibles con una constante de velocidad de asociación controlada por difusión.

Nuestro grupo ha desarrollado un modelo para las concentraciones de tensioactivo monomérico y micelizado en función de la concentración total de surfactante. Este modelo de concentraciones permite definir de forma objetiva la concentración micellar crítica (cmc) del surfactante y obtener valores precisos y bien definidos de la misma, así como otros parámetros característicos. El uso del modelo de concentraciones evita el uso de procedimientos gráficos altamente subjetivos, reduce las diferencias metodológicas y, por tanto, permite comparar directamente los resultados de diferentes técnicas experimentales y realizar análisis globales. Este modelo también es aplicable a otros procesos de autoagregación como proteínas o polímeros.

Unidad de investigación: Fluorescencia de Moléculas Individuales
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Mercedes Novo and Wajih Al-Soufi

Los complejos ligando-receptor son agregados supramoleculares estabilizados por enlaces no covalentes de gran importancia en muy diversos sistemas y aplicaciones como los bioquímicos, farmacéuticos, medioambientales, cosméticos, alimentarios, etc.  Para una caracterización completa de un sistema supramolecular son necesarios diferentes enfoques: estudios estructurales para determinar estequiometría, geometría, centros de asociación y heterogeneidad; estudios termodinámicos que aportan información acerca de la estabilidad, las constantes de equilibrio y la reversibilidad; y, finalmente, estudios dinámicos que son necesarios para determinar la dinámica de asociación, las propiedades difusionales y la dinámica conformación. La mayor parte de los estudios publicados hasta el momento se centran en la termodinámica y en los aspectos estructurales de la asociación supramolecular, mientras que existe muy poca información acerca de la dinámica de estos sistemas.

Nuestro objetivo ha sido utilizar la Espectroscopia de Correlación de Fluorescencia (FCS) para el estudio de la asociación supramolecular y, más concretamente, para la determinación de la estabilidad y de la dinámica de asociación de sistemas ligando-receptor. Nuestros resultados han demostrado que la dinámica da una información muy valiosa acerca del mecanismo del proceso de asociación, que a su vez está directamente ligado a las estructuras del ligando y del receptor.

Unidad de investigación: Fluorescencia de Moléculas Individuales
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Ana Ríos Rodríguez y Juan Crugeiras

Estamos interesados en caracterizar el mecanismo de las reacciones de transferencia protónica en el carbono en sistemas biológicos. En colaboración con el grupo de investigación del profesor John P. Richard (Universidad de Buffalo, USA), hemos llevado a cabo una serie de estudios que han permitido determinar las barreras cinética y termodinámica para la desprotonación del carbono en alfa al grupo amino de aminoácidos y péptidos en agua. Los resultados obtenidos han aportado información importante sobre las estrategias utilizadas por las racemasas de aminoácidos con el fin de disminuir la barrera de activación para la transferencia protónica no-enzimática.

Unidad de investigación: Química Biofísica
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Mercedes Novo and Wajih Al-Soufi

La Espectroscopía de Correlación de Fluorescencia (FCS) es una poderosa técnica de moléculas individuales para el estudio de la estabilidad y de la dinámica de asociación de sistemas supramoleculares y, en particular, de complejos de inclusión ligando-receptor. Mediante FCS se puede determinar la constante de equilibrio de asociación a partir del análisis de la variación del coeficiente de difusión de la especie fluorescente, ligando o receptor, sin que sea necesario que ésta experimente un cambio en sus propiedades fotofísicas. También mediante FCS es posible determinar las constantes de velocidad de asociación y de disociación del complejo ligando-receptor siempre que la intensidad de fluorescencia del ligando o del receptor cambie con la complejación.

Unidad de investigación: Fluorescencia de Moléculas Individuales
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Here we share details of the instruments we develop in our laboratory. We invite you to use this information for your own needs. Please give us feedback!

Illuminator: Setup for the irradiation of small liquid samples with continous high power LED light.

Wajih Al-Soufi, 2014

 

 

Unidad de investigación: Fluorescencia de Moléculas Individuales
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Mercedes Novo y Wajih Al-Soufi

Las potenciales aplicaciones biomédicas han despertado gran interés durante las pasadas décadas por el diseño de ligandos de ADN que interaccionen bien con el surco mayor o con el surco menor y que presenten alta afinidad y especificidad según la secuencia. Dentro de ellos, los ligandos fluorogénicos que presentan una alta sensibilidad para la detección de secuencias de ADN son especialmente útiles. Esta sensibilidad depende de la magnitud del incremento de fluorescencia al unirse al ADN, que está relacionada con la fotofísica del ligando y con la constante de afinidad, que a su vez viene determinada por la dinámica del proceso de asociación. Por tanto, el progreso en el diseño de ligandos de ADN requiere la realización de estudios fotofísicos rigurosos y la determinación precisa de las constantes de velocidad de asociación y de disociación.

Unidad de investigación: Fluorescencia de Moléculas Individuales
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