Procesamiento Molecular de Información – Desarrollo de Sondas Fluorescentes “Inteligentes” para Aplicaciones Biomédicas

Procesamiento Molecular de Información – Desarrollo de Sondas Fluorescentes “Inteligentes” para Aplicaciones Biomédicas

El procesamiento de información con moléculas basado en la aplicación de la lógica binaria, como suele ser el caso de microprocesadores electrónicos, es un campo en continuo crecimiento de las actividades de investigación por todo el mundo. Mientras que los esfuerzos iniciales se concentraron en el objetivo de realizar un ordenador molecular, hoy en día la lógica molecular ha llegado a un cruce de caminos. La aplicación de la lógica molecular en campos como el diagnóstico inteligente o la activación de fármacos, comúnmente combinados con la química de los materiales, ha atraído en especial un creciente interés en los últimos 4-5 años. Hemos decidido centrar nuestra propuesta en este entorno de aplicaciones novedosas de la lógica molecular. En concreto, desarrollaremos etiquetas fluorescentes inteligentes integradas con plantillas de reconocimiento para a) sondear el microentorno fisiológico en modelos de sistemas biológicos relevantes y b) para etiquetar/sondear estructuras biológicas como genes relacionados con enfermedades inflamatorias autoinmunes (por ejemplo fibromialgia, artritis reumática, la enfermedad de Crohn o patologías derivadas como diabetes tipo II) o células tumorales.
Estas etiquetas no sólo proporcionarán información sobre parámetros o eventos simples, sino que, a través del uso del lenguaje de la lógica Booleana, nos permitirán extraer información combinatoria (por ejemplo la unión exitosa de la etiqueta a la estructura biológica e información sobre su entorno iónico).
También tenemos como objetivo la integración de unidades fotoisomerizables en nuestro diseño de posibilitarnos un control espaciotemporal del intercambio. El objetivo principal es proveer etiquetas selectivas que posean códigos para situaciones muy específicas y que puedan ser usadas en microscopía de fluorescencia. En el detalle nos concentraremos en tres estrategias principales: A) diseño de díadas moleculares como interruptores lógicos con colorantes con capacidad del enlace al ADN; B) diseño de puertas lógicas moleculares para el reconocimiento de oligonucleótidos y con señalización fluorescente basado en el concepto del “molecular beacon”; C) diseño de etiquetas fluorescentes con funciones de dirección. Este proyecto multidisciplinar requiere una investigación desde muchos puntos diferentes incluyendo el diseño y caracterización fotofísica de las sondas fluorescentes (incluyendo la microscopía confocal de fluorescencia), síntesis orgánica (fluoróforos, “molecular beacons”, estructuras dentríticas), química supramolecular y biología molecular. El proyecto cuenta con
dos grupos de investigación dinámicos de dos universidades andaluzas, Huelva y Málaga, y la implicación del, recientemente creado, Centro Andaluz de Nanomedicina y Biotecnología (Bionand) en Málaga através del grupo participante de la Universidad de Málaga. Además, el proyecto involucrará a BioAvan S.L. de Sevilla, una empresa también recientemente creada con el propósito de centrarse en la consultaría y el soporte experimental del desarrollo de programas de investigación en ciencias de la vida.

Molecular Information Processing – Development of "Intelligent” Fluoroprobes for Biomedical Applications

The processing of information with molecules based on the application of binary logic, as common to electronic microprocessors, is a steadily growing field of worldwide research activities. While the initial efforts were directed toward the objective of a molecular computer, molecular logic has arrived at a crossroads nowadays. Especially the application of molecular logic in fields such as intelligent diagnosis and drug delivery/activation, often combined with materials chemistry, has attracted growing interest in the last 4-5 years. In this environment of novel applications of molecular logic we centre our research proposal. In concrete, we will develop intelligent fluorescent tags integrated with recognition motifs to a) probe the physiological microenvironment in model systems of biological relevance and b) to tag/probe biological structures such as genes related with inflammatory autoimmune diseases (e.g., fibromyalgia, rheumatic arthritis, the Crohn disease or derived pathologies like type II diabetes) or tumor cells. These tags will not only provide information on a single type of parameter or event, but through the use of Boolean logic language they will allow to extract combinatorial information (for example successful labeling and ionic environment). We also aim to integrate photoisomerizable units in our design to have the possibility of spatiotemporal control of the switching. The main objective is to provide selective tags which code for very specific situations and which will be of use in fluorescence microscopy. In detail we will concentrate on three main strategies: A) design of molecular dyads as logic switches containing dyes with DNA-binding capability; B) design of molecular logic gates for oligonucleotide recognition and with fluorescence signaling based on the molecular beacon concept; C) design of intelligent fluorescent tags with directing functions. This multidisciplinary project requires approaches from many different sides including the design and photophysical characterization of fluorescent probes (including confocal fluorescence microscopy), organic synthesis (fluorophores, molecular beacons, dendritic structures), supramolecular chemistry, and molecular biology. The project counts on two dynamic research groups from Andalusian universities, Huelva and Málaga, and the involvement of the recently created Andalusian Centre for Nanomedicine and Biotechnology (Bionand) in Málaga through the participating group from the University of Málaga. Furthermore, the project will directly involve BioAvan S.L. from Sevilla, a recently created company with focus on consulting and supporting the experimental development of research programs in life sciences.