Física Biomédica (plan 2015) 2025-1

Ciencias Biológicas, Temas Selectos en Biofísica

Temas Selectos de Biofísica 2025-I

Señalización celular desde el punto de vista de la física

Introducción

En este curso se introduce al alumn@ a los procesos de señalización celular los cuales permiten que ciertos organismos unicelulares se muevan y organicen. Esta capacidad es fundamental para la reparación de tejidos como la piel, la reproducción, el desarrollo embrionario, neutralización de virus y bacterias por el sistema inmune y para un sin fin más de tareas centrales para la vida. A esta capacidad de movilidad celular se le denomina “quimiotaxis” y a pesar de haberse empezado a desbrozar, tanto cualitativa como cuantitativamente desde hace mucho tiempo, aún nos queda mucho por entender. La importancia del tema, en el contexto de la física biomédica, radica en el diseño de nuevas terapias contra el cáncer y enfermedades autoinmunes, que sean menos agresivas y más específicas.

Objetivo

El objetivo principal del curso es la introducción a estos procesos celulares a nivel molecular y a su descripción cuantitativa a través de simulaciones numéricas implementadas en Python. Se adaptará el algoritmo de D. Gillespie (un método estocástico de tipo Monte Carlo), a ambientes anisotrópicos (para incluir los procesos de difusión), para simular el proceso de polarización celular que principalmente ocurre en la parte interna de la membrana celular que está en contacto con el citosol.

Temario

1. Dinámica molecular en la quimiotaxis celular de Dictyostelium discoideum y neutrófilos humanos (actores del sistema inmune) (2 semanas)

2. Componentes centrales: ligandos, receptores transmembranales, fosfolípidos PIP2 y PIP3, enzimas PI3K y PTEN, componentes del citoesqueleto actina y miosina (2 semanas)

3. Modelos de sistemas de reacción-difusión para el proceso de polarización celular (1 semana)

4. Métodos estocásticos (algoritmo de D. Gillespie) para simular el proceso de polarización celular (4 semanas)

5. Análisis de series de tiempo utilizando la técnica “Singular Spectrum Analysis” (3 semanas)

6. Proyecto final (2 semanas)

Evaluación y filosofía del curso

Habrá una serie de lecturas guiadas de referencias relevantes (ver bibliografía). Taller de programación con algunos ejercicios sencillos, así como un proyecto final, en donde tendrán que concatenar los programas realizados durante el curso.

La filosofía del curso es motivar a los y las estudiantes a que se interesen por el tema, en hacer analogías, en entender por encima de memorizar información y, sobre todo, que se diviertan aprendiendo.

Bibliografía

• John T. Hancock, “Cell Signalling”, Oxford University Press, Third Edition 2010

• Daniel T. Gillespie, “Markov Processes An Introduction to the Physical Sciences”, Academic Press 1992

• Werner Krauth, “Statistical Mechanics: Algorithms and Computations”, Oxford Master Series in Statistical, Computational, and Theoretical Physics 2006

• Nina Golyandina, Vladimir Nekrutkin, Anatoly Zhigljavsky, “Analysis of Time Series Structures SSA and Related Techniques”, Chapman & Hall/CRC 2001

• Peter J. M. van Haastert and Peter N. Devrotes. Chemotaxis: Signailling the way forward. Nature, 5:626-634, 2004

• Andrea Gamba, et al. “Diffusion-limited phase separation in eukaryotic chemotaxis”, PNAS 102(47): 16927-16932, 2005

• Yeagle Philip L. editor. The Structure of Biological Membranes. CRC Press 2005

• Daniel T. Gillespie. Exact stochastic simulations of coupled chemical reactions. Journal of Physical Chemistry, 81:2340-2361, 1977

entre otras…