Análisis nanomecánico de modelos de membrana celular mediante sensores acusticos de superficie de ultra-alta fecuencia

Abstract

[ES] El objetivo del proyecto es investigar sistemas lipídicos simuladores de la membrana celular mediante sensores acústicos de alta frecuencia. Estos sensores darán información acerca de las propiedades nanomecánicas y fisico-químicas de estos sistemas lipídicos para evaluar la habilidad de detección de los nuevos sensores. El estudiante aprenderá métodos biofísicos y bioanalíticos relacionados con los lípidos y las superficies (liposomas, preparación de bicapas, preparación superficial y caracterización), contribuyendo al desarrollo de nuevas plataformas de sensores, trabajo de laboratorio y lectura de publicaciones científicas.

La Microbalanza de Cristal de Cuarzo (QCM) (en inglés Quartz Crystal Microbalance) es una técnica de sensado que utiliza el efecto piezoeléctrico de los cristales de cuarzo para producir ondas acústicas de corte que, gracias a su rápido decaimiento, concentran toda su energía cerca de la superficie del cristal, volviéndola altamente específica al medio en el que se encuentra. La QCM destaca gracias a su capacidad de captar no destructivamente las propiedades acústicas del analito en un medio líquido además de por poder recubrir la superficie del cristal con cualquier bioreceptor, convirtiendo el cristal en un biosensor altamente específico capaz de detectar pequeñas cantidades de analito en grandes cantidades de agua. La sensibilidad puede ser cuantificada en los términos de la constante de Sauerbrey, definida como ( C=-¿f/¿m), donde ¿m es la masa del analito adsorbido bajo las condicione de cambio de disipación zero ¿D¿0. La constante de Sauerbrey "C¿ depende solamente de las propiedades del cuarzo y su frecuencia fundamental, f_0, más tarde determinada solamente por el grosor del cristal. Por lo tanto, si queremos conseguir microbalanzas más sensibles, es necesario utilizar cristales de cuarzo más finos. Durante décadas, la utilización de frecuencias fundamentales altas ha estado limitada por técnicas de fabricación incapaces de producir cristales con un grosor del orden de micrómetros. Sin embargo, gracias a las nuevas técnicas de fabricación fotolitográfica, las microbalanzas de cristal de cuarzo de alta frecuencia (HFF-QCM) se han vuelto una realidad. Actualmente, la HFF-QCM es una novedosa tecnología con un futuro prometedor, pero al igual que todos los avances, existen retos y limitaciones. El tamaño reducido del cristal incrementa el estrés al que está sometido, lo cual puede producir un mayor nivel de ruido e inestabilidades. También nos es desconocido como el uso de frecuencias fundamentales más altas puede cambiar las medidas tomadas de los sistemas clásicos. En este contexto, se ha diseñado y realizado un proceso experimental para comparar el desempeño de un cristal HFF de 100 MHz con un cristal de 5 MHz. La comparación se ha realizado usando un conocido modelo de membrana celular que ha sido extensivamente estudiado con QCM. Este modelo se basa en la adsorción de pequeños liposomas fosfolípídicos (DOPC) unilamelares (SUVs) en un cristal con una cobertura de SiO2. Esta cobertura provocará la rotura de los liposomas pasando de una capa de liposomas adsorbidos a una bicapa lipídica. La transición entre los liposomas y la bicapa, y a su vez las propiedades de la bicapa como una ¿capa Sauerbrey¿, permiten la comparación de los dos cristales de cuarzo con frecuencias fundamentales diferentes. Por primera vez, hemos formado una bicapa lipídica en la superficie de un cristal HFF. La sensibilidad en frecuencia de los cristales HFF ha resultado ser parecida a la de los cristales normales, sin embargo, la sensibilidad en disipación es 5 veces mayor. Este último hecho es de vital importancia, pues significa que la bicapa lipídica atenúa más las ondas de corte de alta frecuencia, cosa que nunca hasta ahora se había observado.

[EN] The goal of these projects is to investigate lipid systems with high-frequency acoustic sensors that are expected to provide new information about the nanomechanical and physico-chemical properties of these lipid systems, and to evaluate new sensor performance. The students will learn biophysical and bioanalytical methods related to lipids and surfaces (liposome and bilayer preparation and characterization, surface preparation and characterization), contribute to the development of new sensing platforms, application notes, and publications in international peer-reviewed journals based on the results of the work.

Quartz crystal microbalance (QCM) is a sensing technique that uses the piezoelectric effect of quartz crystals to produce shear acoustic waves. Thanks to their rapid decay, they concentrate all their energy near the surface of the crystal, making QCMs surface-specific. It stands out due to its capability of sensing analyte amounts as well as properties in liquid media non-destructively and the possibility of coating the crystal surface with bioreceptors, turning QCM devices into highly specific biosensors capable of detecting small amounts of the desired analytes in liquids. Advanced QCMs measure two variables: frequency "f" and dissipation "D". To first order, frequency "f" is related to the mass of the analyte on the crystal surface and dissipation "¿D" to the viscoelastic or geometrical properties of analyte through its ability to dissipate the energy of the shear acoustic waves in liquids. The sensitivity of a QCM can be quantified in terms of its Sauerbrey constant, which is defined as ( C=-¿f/¿m), where ¿m is the mass of the adsorbed analyte, under conditions where ¿D¿0. The Sauerbrey constant ¿C¿, depends on the properties of quartz and on the fundamental frequency of the crystal, f_0, the later determined solely by the crystal thickness. Thus, if we want more sensitive microbalances we need to use thinner quartz crystals . For decades, the use of higher fundamental frequencies was limited by the fabrication techniques that did not permit the production of stable crystals with a thickness of micrometers . However, thanks to the latest advances in photolithographic fabrication, high fundamental frequency quartz crystal microbalance (HFF-QCM) has become a reality. HFF-QCM is a brand-new technology with a promising future, but like all advances, it comes with challenges and limitations. The smaller dimensions of the crystal increase the stress it is subjected to, which may produce more noise or instabilities. It is also unknown how the use of higher fundamental frequencies will change the measurements observed in the classical systems. In this context, we will try to answer two questions about HFF crystals: How they behave in comparation with regular crystals when measuring a typical lipid bilayer model and what new information may be obtained from it. For this purpose, we designed and carried out a set of experiments comparing the performance of the 100 MHz QCM with that of the classical 5 MHz one. The comparison was performed using a well-known cell membrane model that has in the past been extensively investigated by QCM. This model is based on the adsorption of phospholipid (DOPC) small unilamellar liposomes (SUVs) on a SiO2coated crystal prompting a transformation from surface adsorbed liposomes to a surface-supported lipid bilayer. The transition between the liposomes and the bilayer, as well as the properties of the bilayer as a Sauerbrey film, allow a systematic comparison between the quartz crystals of the two fundamental frequencies. For the first time, we formed a successful lipidic bilayer in an HFF crystal. The frequency sensitivity of the HFF crystals has turned to be similar to the regular ones, though the dissipation sensitivity was 5 times greater. This is specially important because signify that the lipid bilayer attenuate more the high frequency shear waves, something t