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Type: Tese de Doutorado
Title: Desenvolvimento de métodos em microscopia óptica para obtenção de parâmetros biomecânicos de células e moléculas únicas
Authors: Livia Siman Gomes
First Advisor: Oscar Nassif de Mesquita
First Co-advisor: Ubirajara Agero Batista
First Referee: Leandro Malard Moreira
Second Referee: Pedro Licinio de Miranda Barbosa
Third Referee: Marcelo José Lobato Martins
metadata.dc.contributor.referee4: Nathan Bessa Viana
Abstract: A tese teve como objetivos o desenvolvimento de novas metodologias experimentais para auxiliar no entendimento de processos básicos presentes em células e moléculas únicas. Foram desenvolvidos dois métodos em Microscopia Óptica: o primeiro (Método 1) relacionado ao estudo da interação de moléculas únicas de DNA com fármacos, e o segundo (Método 2) relacionado ao estudo das propriedades mecânicas de hemácias. A ligação de ligantes, como fármacos e proteínas, à moléculas de DNA podem ser estudadas via experimentos de moléculas únicas, medindo-se as mudanças no comprimento de persistência (A) do complexo formado. Nesta tese é proposta uma metodologia para a análise do comprimento de persistência baseada em um modelo estatístico de desordem congelada (quenched), e descrevendo a isoterma de ligação por uma equação do tipo Hill. Uma expressão geral para o comprimento de persistência efetivo do complexo DNA/ligantes em função da concentração total de ligantes é obtida e aplicada a dados experimentais. Ao ajustar os dados de DNA/-ciclodextrina e DNA/proteína HU, o primeiro obtido durante o mestrado da doutoranda e o último retirado da literatura, os valores para comprimentos de persistência local, constante de dissociação e grau de cooperatividade da interação foram determinados. Em ambos os casos o comprimento de persistência se comporta de forma não monotônica em função da concentração de ligantes e os resultados obtidos possibilitaram a discussão de aspectos físicos da interação entre elasticidade-DNA e cooperatividade entre a ligação dos ligantes. O desenvolvido do método 1 deu origem ao artigo "Quantitative assessment of the interplay between DNA elasticity and cooperative binding of ligands". O segundo método apresentado na tese envolve medidas do contraste de hemácias obtidas pela técnica de Microscopia de Desfocalização (MD). A MD é uma técnica de microscopia óptica, desenvolvida no Laboratório de Física de Sistemas Biológicos da UFMG, e que possibilita a obtenção de informação quantitativa sobre objetos de fase. Nesta tese a equação de contraste para um objeto desfocalizado é deduzida, e a partir dela são apresentadas metodologias simples para obtenção do perfil de espessura, volume, reconstrução tridimensional e índice de refração de hemácias. Além disso, como uma novidade da técnica, o perfil de altura de cada superfície da célula (membranas superior e inferior, a ultima aderida ao substrato) é acessado, separadamente. A flutuação quadrática média do contraste também é apresentada, e sua relação com a flutuação de altura de membranas (efeito flickering) é mostrada. Modelando o espectro de flutuações como dependente de um termo de curvatura kc, de uma tensão superficial, e de um potencial de confinamento , todos os três variando lentamente ao longo do raio da célula, as flutuações em altura para cada membrana celular são determinadas, separadamente. Além disso, os comportamentos radiais dos parâmetros elásticos kc, e cada superfície da célula são monitorados, permitindo a discussão de aspectos físicos da membrana de hemácias. Finalmente, todos os métodos desenvolvidos foram aplicados a um conjunto de dados experimentais de 42 hemácias, coletados durante o doutorado da estudante. O artigo "Shape reconstruction and height fluctuation of phase objects using DM: an application to red blood cells" contendo todos os resultados do Método 2 está em fase de submissão.
Abstract: The aim of this thesis is the development of new experimental tools to improve the understanding of single cells and molecules basic processes. Two dierent methods in Optical Microscopy have been developed: the rst (Method 1) regarding the interaction between DNA molecules and drugs, and the second (Method 2) regarding mechanical properties of red blood cells. Binding of ligands to DNA can be studied by measuring the change of the persistence length of the complex formed, in single-molecule assays. A methodology for persistence length data analysis based on a quenched disorder statistical model and describing the binding isotherm by a Hill-type equation is proposed. An general expression for the eective persistence length as a function of the total ligand concentration is obtained and applied to the experimental data of the DNA-cationic -cyclodextrin and to the DNA-HU protein data, the rst one obtained by the Ph. student during her master degree and the last one gotten from the literature, determining the values of the local persistence lengths, the dissociation constant and the degree of cooperativity for each set of data. In both cases the persistence length behaves non-monotonically as a function of ligand concentration and based on the results obtained some physical aspects of the interplay between DNA-elasticity and cooperative binding of ligands are discussed. The development of Method 1 generated the paper Quantitative assessment of the interplay between DNA elasticity and cooperative binding of ligands . The second method presented is based on contrast measurements of red blood cells (RBC) using Defocusing Microscopy (DM) technique. DM is a bright-eld microscopy technique developed in the Laboratory of Biological Systems of UFMG, used to obtain quantitative information of phase objects. In this thesis the contrast equation for a defocused microscope is deduced, and based on it very simple methodologies to obtain refractive index, thickness prole, volume and three dimensional (3D) reconstruction of red blood cells (RBC) are presented. In addition, as a new feature of the technique, the shape prole of each of the red cell surfaces (upper and lower membranes, the last one adhered to the substrate) are obtained, separately. The DM mean square contrast uctuation equation is also presented, and its relation to red cell surface membrane uctuations (RBC ickering) is shown. Modeling themembrane height uctuation spectrum as dependent of a bending modulus (c), a surface tension () and a conning potential (), all of them slowly varying along the cell radius, the surface uctuations of the cell free interface and of the one in contact with the substrate is obtained, separately. Moreover, the behaviour of the elastic parameters c, and for each interface along the cell radius is monitored and some physical aspects of the red cell membranes are discussed. Finally, all the developed methods are applied to the experimental data of 42 RBC and the average biomechanical properties are shown. The development of Method 2 generated the paper Shape reconstruction and height uctuation of phase objects using DM: application to red blood cells, which is in submission process.
Subject: Microscopia otica
Física
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9VEGKX
Issue Date: 11-Jul-2013
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