Un equip de l'Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) al PCB, que l'any passat va aconseguir mesurar, per primer cop la polarització elèctrica del DNA –una propietat fonamental vinculada a les funcions biològiques– ha fet un avanç encara més gran cap a la comprensió de les propietats dielèctriques dels constituents cel·lulars. Els investigadors han aconseguit mesurar la polarització elèctrica dels principals components de la membrana cel·lular –lípids, esterols i proteïnes– amb una resolució espacial menor de 50nm.  El resultats d'aquest treball –publicat a la revista Nanoescala– són claus per desenvolupar nous mètodes que responguin a la pregunta fonamental de com les membranes cel·lulars s’organitzen a la petita escala.

La membrana cel·lular juga un paper essencial i fonamental en el fenomen bioelèctric. S’ha trobat a llocs com a les neurones o a les cèl·lules cardíaques i regula l’intercanvi de ions entre la cèl·lula i l’ambient, així com permet la formació de potencials elèctrics que poden propagar-se al llarg de grans distàncies.

Això també determina la resposta cel·lular a l’aplicació de camps elèctrics externs, determinant així els efectes d’aquests camps en la funció cel·lular o la possibilitat de manipular elèctricament cèl·lules individuals mitjançant tècniques electrocinètiques. En tots aquests processos, la propietat física clau és la polaritzabilitat elèctrica de la membrana, és a dir, com els dipols elèctrics de la membrana s’orienten en resposta a un camp elèctric.El grup de l’IBEC Caracteritzacio Bioelèctriva a la Nanoescala ha desenvolupat una tècnica per a accedir a aquesta propietat amb una resolució espacial sense precedents, que ha estat publicada a la revista Nanoescala.

Per a aconseguir el seu objectiu, els investigadors van augmentar la sensibilitat i la precisió de la metodologia que han desenvolupat a l’IBEC durant diversos anys, que es basa en la microscòpia de força electrostàtica (EFM) per a permetre el seu ús amb substrats aïllants com la mica o el vidre, que són comuns en la recerca de la biomembrana. Aquesta tècnica els permet no només explorar la morfologia de a petita escala dels complexes biològics, sinó que també permet mesurar la seva polaritzabilitat elèctrica per primera vegada. Al desvetllar aquesta propietat elèctrica inherent que fa a cada biomembrana única, els investigadors ara poden predir de manera realista la funcionalitat elèctrica d’aquests constituents cel·lulars i obtenir una major comprensió del paper essencial que tenen en el nostre cos.

“Fins ara, les tècniques existents només havien mesurat la polaritzabilitat elèctrica de les biomembranes amb una resolució espacial d’alguns micròmetres, perdent així la informació corresponent a la seva ultraestructura”, explica Gabriel Gomila, responsable de grup. “El nostre èxit en la mesura de les biomembranes que són de només 5nm d’espessor amb una resolució espacial de 50nm obre l’accés a la caracterització dielèctrica a la nanoescala a les propietats elèctriques locals de cada mena de biomembrana”. Com a exemple, els investigadors proporcionen les propietats elèctriques de les biomembranes fetes de proteïnes, lípids i colesterol, que són els components principals de les membranes cel·lulars naturals.

“Amb aquesta feina hem portat encara més endavant les capacitat d’una tècnica desenvolupada durant diversos anys a l’IBEC, i cada vegada estem més a prop d’arribar el límit d’una única molècula”, afirma Laura Fumagalli, un antic membre del grup ara a la Universitat de Manchester. “Aquí nosaltres hem arribat el límit de centenars de molècules i de predir la capacitat per a arribar al límit d’una única biomolècula en un futur pròxim”.

A més a més, aquest descobriment pot obrir la porta al desenvolupament d’un nou mètode de caracterització de la biomembrana a la nanoescala lliure d’etiquetes, basada en la resposta dielèctrica local, similar a una que els investigadors ja han desenvolupat per a una única nanopartícula i virus. el que podrà respondre a la pregunta fonamental de com les membranes cel·lulars s’organitzen a la petita escala.

Referència de l’article:
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.