El presente proyecto es en la modalidad de proyectos de grupo que tiene sustento en la participación de investigadores de diversas disciplinas en el entendimiento de procesos a nivel molecular y la posible aplicación de este conocimiento para el diseño de fármacos. Para esto se construye una imagen molecular del proceso de interés, a través de estudios de física molecular desde cálculos ab-initio, que permiten construir potenciales clásicos refinados, de la acción del compuesto que permita presuponer su comportamiento a nivel molecular. Para esto es necesario construir potenciales moleculares de los compuestos o utilizar potenciales empíricos de sistemas mayores y así realizar las simulaciones numéricas correspondientes, por ejemplo, la hidratación de metales. Por lo tanto, es importante mantener el desarrollo metodológico de este enfoque e incrementar su capacidad de aplicación. Por esto buscaremos construir un potencial clásico a partir de primeros principios que además de las propiedades moleculares de relajación, polarización y efectos no aditivos, pueda incluir la capacidad de disociación. Inicialmente para incluir la disociación de la molécula de agua en soluciones acuosas de diversos compuestos, en particular, éste es un fenómeno que ocurre en la hidratación de metaloides como el arsénico que conduce a distintas formas químicas del elemento a distintos valores de pH, como es el caso del ácido arsenioso. Asimismo se realizarán estudios experimentales utilizando las técnicas de canal unitario, de microscopía de fuerza átomica, espectroscopías, sintesis química y estudios farmacológicos preclinicos para diversos sistemas. En particular buscando las bases moleculares del transporte transmebranal la dinámica intrínseca de la expresión de los canales, el efecto de la estructura membranal en la acción de estos, el efecto de los diversos compuestos de la membrana celular en las propiedades mecánicas de esta, el efecto de las distintas fases de cristal líquido de la membrana en la acción biológica, el transporte de metaloides tóxicos a través de la membrana y la aplicación de este conocimiento para el desarrollo de fármacos, realizando las pruebas preclinicas correspondientes. Así mismo, se determinarán las propiedades elásticas de la bicapa lipídica aprovechando el desarrollo, tanto teórico como experimental que nos permite la determinación de los parámetros elásticos por medio de Microscopía de Fuerza Atómica. Estas propiedades están relacionadas con la estructura membranal y son modificadas por distintos compuestos y condiciones termodinámicas de la membrana. Es de particular interés ver las diferencias en estas propiedades para membranas conteniendo ergosterol o colesterol. Además, hay evidencia preliminar que sugiere que, compuestos como el IP2 modifican las propiedades elásticas de las vacuolas. Estudios sobre la elasticidad de membranas de vacuolas de plantas, donde resultados preliminares indican una relación entre sus propiedades mecánicas y estudios electrofisiológicos. La señal eléctrica de canales específicos estudiados en vacuolas seleccionadas, tiene cambios importantes ante diversas concentraciones de sustancias químicas. Los estudios electofisiológicos muestran una tendencia de los canales a cerrarse ante una mayor concentración de estas sustancias químicas. Se pretende estudiar el comportamiento del canal iónico involucrado en este proceso y la relación que se tiene con la estructura de la membrana y sus propiedades mecánicas, haciendo uso de técnicas de microscopía de fuerza atómica.

Se espera obtener información estructural y termodinámica detallada de la hidratación de iones y de compuestos tóxicos de metales pesados que aparecen en solución. Esto proveerá información relevante para entender el paso de estos compuestos a través de la membrana celular. En el caso de los compuestos tóxicos se espera que la información obtenida sea útil para la toma de decisiones para su control toxicológico. Los resultados anteriores se pueden llevar a cabo gracias al desarrollo que hemos hecho de potenciales clásicos refinados que proveen una descripción cuantitativa del comportamiento molecular. Es por esto importante continuar con el desarrollo metodológico de este enfoque. Se contempla iniciar la construcción de un potencial clásico refinado que permita la disociación molecular, en primera instancia la inclusión del fenómeno de disociación del agua producida por diversos compuestos en solución acuosa, así como de forma espontánea. De la misma manera se avanzará en el entendimiento de transporte transmebranal de diversos sistemas. Por ejemplo utilizando las simulaciones de Dinámica Molecular (DM) avanzar en la propuesta del mecanismo molecular que determina la acción selectiva de los antibióticos poliénicos con base en la rugosidad de las membranas correspondientes a hongos (ergosterol) y mamíferos (colesterol). Podremos comparar los resultados de DM con los resultados experimentales de la acción diferenciada de los políenos en distintas membranas. Un estudio particularmente interesante es la acción en mezclas lipídicas que sabemos presentan fases con microdominios, y nanodominios. Esto nos permitirá probar la hipótesis de que la inserción del polieno en la membrana se lleva a cabo en las interfases de lípido ordenado/lípido desordenado. Como resultados de estudios previos se logró proponer un derivado de anfotericina con la adición de una histidina que ha mostrado una selectividad mucho mayor. Se continuarán los estudios alrededor de este compuesto, tanto buscando el conocimiento básico como la aplicación terapéutica y se desarrollarán nuevos derivados siguiendo las ideas dictadas por el modelaje molecular. Por tanto, se probarán estos compuestos en la parte electrifisiológica y en pruebas pre clínicas, si las primeras sugieren un comportamiento interesante y por supuesto se continuarán las pruebas sobre el derivado existente, ahora comparando contra la presentación liposomal de la anfotericina, que es una preparación muy costosa pero con toxicidad reducida. Se concluirá con el desarrollo de un modelo molecular de la estructura del poro de anfotericina a partir de la molalidad correspondiente a cada tipo de canal, utilizando el protocolo de hidrofobización de las micropipetas con polidimetilsiloxano, protocolo que habrá de concluirse en fechas próximas. De la misma manera se pretende iniciar el estudio de compuestos peptídicos, a partir de los compuestos Iztli desarrollados por el Dr. del Río del Instituto de Fisiología Celular, extendiendo la estrategia anterior. Un primer enfoque será determinar su acción como formador de poros conductores a distintos potenciales transmembranales y distintas composiciones membranales. De esta manera se puede pensar en el uso específico de estos péptidos, o derivados que se construyan por medio de mutación dirigida, a células particulares. Extendiendo los estudio sobre estructura membranal y sus efectos en procesos biológicos se ha desarrollado un protocolo teórico y experimental que permite obtener los parámetros elásticos de la bicapa a partir de las curvas fuerza vs distancia obtenidas por microscopía de fuerza atómica. La aplicación de este protocolo nos permitirá determinar variaciones en las propiedades elásticas como función de la composición de la membrana. Una aplicación inmediata de esta estrategia es el estudio de la elasticidad en vacuolas vegetales. La señal eléctrica de canales específicos estudiados en vacuolas de arabidopsis tiene cambios importantes ante diversas concentraciones de inositol. Los estudios electofisiológicos muestran una tendencia de los canales a cerrarse ante una mayor concentración de inositol. El estudio de este fenómeno es importante porque la vacuola de células vegetales juega un papel muy importante en el mantenimiento de la homeostasis celular (49,50). Participa en la regulación del pH citoplásmico, en el secuestro de iones tóxicos y xenobióticos, y en el almacenamiento de aminoácidos, azucares y CO2 en la forma de malato, regula la turgencia celular y posiblemente sirva como una fuente de calcio citoplásmico (49,50). Está bien establecido que el calcio funciona como segundo mensajero en diferentes vías de señalización, y la vacuola siendo un reservorio de este ion, podría ser el organelo intracelular desde donde se genera la liberación del calcio hacia el citoplasma para que desencadene las vías de transducción de señales necesarias para el buen funcionamiento de la célula vegetal (51-53). Investigaciones sobre este aspecto han sugerido que los canales SV, que son permeables tanto a cationes mono como divalentes, podrían ser el mecanismo responsable de la liberación del calcio vacuolar. Se pretende entonces realizar una serie de experimentos electrofisiológicos con membranas vacuolares que caracterice en una forma más precisa el canal señalado, así como experimentos de elasticidad con microscopía de fuerza atómica que cuantifiquen el cambio estructural de la membrana a través de sus propiedades elásticas. Esto tiene una contraparte en la propuesta que se ha manejado en el grupo por un largo periodo, que variaciones en la estructura de la membrana, modula la expresión de los canales y está relacionado con el intento de realizar este tipo de experimentos en membranas con diversa concentración y tipo de esterol. Los resultados entregables son los siguientes: 1. Publicación de artículos originales en revistas científicas con arbitraje estricto. Se contempla la publicación anual de al menos dos artículos. 2. Formación de Recursos Humanos. Se promoverá la participación en el proyecto de estudiantes de licenciatura tanto de la UNAM como de la UAEMor, de los posgrados en Ciencias Físicas y en Ciencias Químicas de la UNAM, del posgrado en Ciencias de la FC-UAEMor, del posgrado del CINVESTAV y también de jóvenes investigadores posdoctorales. 3. Presentación de trabajos en congresos científicos. En el presente proyecto se contempla la asistencia anual a congresos nacionales e internacionales. 4. Aplicación del conocimiento generado para el diseño racional de fármacos, poliénicos y peptídicos.