Thermal and mechanical properties of a DNA model with solvation barrier

We study the thermal and mechanical behavior of DNA denaturation in the frame of the mesoscopic Peyrard- Bishop-Dauxois model with the inclusion of solvent interaction. By analyzing the melting transition of a homogeneous A-T sequence, we are able to set suitable values of the parameters of the model and study the formation and stability of bubbles in the system. Then, we focus on the case of the P5 promoter sequence and use the Principal Component Analysis of the trajectories to extract the main information on the dynamical behavior of the system. We find that this analysis method gives an excellent agreement with previous biological results.Comment: Physical Review E (in press

Modeling biomolecules: interactions, forces and free energies

La biología ha sido tradicionalmente una ciencia cualitativa. El principal problema que presenta es que trata con sistemas muy complejos, mucho más que las moléculas de las que se ocupa la química, o que muchos sistemas físicos. Sin embargo, en los últimos años, hemos sido testigos de un desarrollo enorme hacia planteamientos cuantitativos para resolver problemas biológicos, impulsado principalmente por el desarrollo de diversas técnicas avanzadas en biofísica, o por la emergencia de las herramientas computacionales. En particular, en biofísica computacional, dado un determinado problema a estudiar, la estrategia es proponer un modelo que describa el comportamiento de nuestro sistema y realizar simulaciones numéricas sobre este modelo. Este planteamiento presenta una dificultad principal que es la elección de la escala a la cual realizamos nuestro modelo. Es necesario llegar a un compromiso entre el nivel de detalle y la capacidad computacional de que disponemos. Así, modelos muy detallados son capaces de proporcionar información de gran resolución, sin embargo sólo para sistemas moleculares de tamaño limitado, con propiedades que se manifiesten a escalas temporales cortas. Si necesitamos tratar con sistemas de mayor tamaño, o nos interesan propiedades que se manifiestan en escalas temporales mayores, es necesario identificar cuáles son los grados de libertad relevantes para nuestro sistema y despreciar el resto. Aparte de este problema, el siguiente reto que se nos plantea es transformar todos los datos numéricos producidos en información relevante que pueda responder de manera objetiva a las preguntas que nos planteamos. Para ello, debemos disponer de métodos de análisis lo bastante robustos como para transformar la información en bruto producida en nuestras simulaciones, en conocimiento directo de una manera no sesgada. La presente Tesis Doctoral se enmarca en este ámbito, ya que estudiaremos tres problemas biológicos diferentes haciendo énfasis en la fase de modelización de nuestro sistema, así como en el empleo de técnicas de análisis avanzadas para comprenderlo. En la primera parte, nos centramos en el análisis de la dinámica de proteínas, enfatizando las distintas descripciones que pueden usarse para comprender su paisaje de energía libre. Para ello escogemos un sistema relativamente simple, una proteína modelo coarse-grained a la cual aplicamos una fuerza constante para promover su desplegamiento. Realizaremos simulaciones numéricas en este sistema y nos plantearemos cuál es la mejor manera de obtener una descripción fiel de su espacio configuracional así como de su mecanismo de desplegamiento. Para ello emplearemos dos métodos distintos. Primero, proyectaremos su paisaje de energía libre –de gran dimensión- sobre distintos parámetros de orden, obteniendo representaciones unidimensionales. Éstas proporcionarán una visión globalmente correcta del sistema, sin embargo fallarán en la descripción adecuada de su mecanismo de desnaturalización. Por otra parte, emplearemos modelos de Markov para representar el paisaje de energía libre. Estos revelarán un espacio configuracional más complejo que el previsto anteriormente, con varios intermediarios que tendrán un papel relevante, especialmente para comprender el mecanismo de desplegamiento. En la segunda parte de la Tesis Doctoral, mostramos el estudio de un modelo de DNA al nivel del par de bases, el modelo de Peyrard-Bishop-Dauxois. En particular, extenderemos este modelo para introducir la interacción proteína-DNA. Proponiendo un método de análisis adecuado basado en modelos de Markov, podremos emplear este modelo para analizar secuencias de promotores, relacionando los estados que encontramos en la dinámica del sistema con sitios de unión proteína-DNA. Este modelo lo emplearemos para el análisis de nueve secuencias de promotores de una cianobacteria en particular. Nos centraremos en la identificación del sitio de inicio de la transcripción (TSS), región donde se une la RNA polimerasa para iniciar este proceso. En cada uno de los promotores, gracias al modelo somos capaces de identificar esta región como un estado de relevancia en la dinámica, con tendencia a que la partícula se una, formando una burbuja. Asimismo, gracias al método de análisis, cuantificamos estos estados, proporcionando magnitudes estadísticas que podemos relacionar con el conocimiento biológica acerca de estos promotores. La tercera parte está dedicada a los experimentos de molécula individual. Presentamos una colaboración experimental en la cual analizamos experimentos de disociación mecánica de dos complejos proteína:proteína. Nuestro objetivo es proporcionar una visión adecuada del paisaje de energía libre que gobierna este proceso. Para ello proponemos un método que permite recuperar la barrera de energía libre así como la energía libre de disociación para complejos biológicos. En particular, emplearemos este método para analizar experimentos de espetroscopía de fuerza, permitiendo obtener estas magnitudes y discutirlas en el contexto de la biología del sistema. Asimismo, proponemos un modelo físico para este tipo de experimentos, sobre el cual realizamos simulaciones numéricas que analizamos con el mismo método, con objeto de validarlo y respaldar su empleo

Modelización de motores moleculares: modelo de helicasa

Los motores moleculares son las proteínas encargadas de realizar trabajo mecánico en las escalas típicas de la biología celular; las singularidades de este medio han convertido su modelización en un reto para la física durante los últimos veinte años. En este trabajo se revisan algunos de los modelos utilizados, y se proponen modelos adaptados a la biología de las proteínas helicasa y ARN-polimerasa. Dichos modelos están basados en una aproximación mesoscópica a la dinámica del ADN, y a la interacción proteína-ADN

Una nueva parametrización para un modelo mesoscópico de interacción proteina-ADN

Estudio del modelo PBD con término de stakcing dependiente de la secuencia. Selección de parámetros, calibración de los mismos y aplicación del modelo a un caso real

A HaloTag-TEV genetic cassette for mechanical phenotyping of proteins from tissues

Single-molecule methods using recombinant proteins have generated transformative hypotheses on how mechanical forces are generated and sensed in biological tissues. However, testing these mechanical hypotheses on proteins in their natural environment remains inaccesible to conventional tools. To address this limitation, here we demonstrate a mouse model carrying a HaloTag-TEV insertion in the protein titin, the main determinant of myocyte stiffness. Using our system, we specifically sever titin by digestion with TEV protease, and find that the response of muscle fibers to length changes requires mechanical transduction through titin’s intact polypeptide chain. In addition, HaloTag-based covalent tethering enables examination of titin dynamics under force using magnetic tweezers. At pulling forces < 10 pN, titin domains are recruited to the unfolded state, and produce 41.5 zJ mechanical work during refolding. Insertion of the HaloTag-TEV cassette in mechanical proteins opens opportunities to explore the molecular basis of cellular force generation, mechanosensing and mechanotransduction

Measurement of the cosmic ray spectrum above 4×10184{\times}10^{18} eV using inclined events detected with the Pierre Auger Observatory

A measurement of the cosmic-ray spectrum for energies exceeding $4{\times}10^{18}$ eV is presented, which is based on the analysis of showers with zenith angles greater than $60^{\circ}$ detected with the Pierre Auger Observatory between 1 January 2004 and 31 December 2013. The measured spectrum confirms a flux suppression at the highest energies. Above $5.3{\times}10^{18}$ eV, the "ankle", the flux can be described by a power law $E^{-\gamma}$ with index $\gamma=2.70 \pm 0.02 \,\text{(stat)} \pm 0.1\,\text{(sys)}$ followed by a smooth suppression region. For the energy ($E_\text{s}$) at which the spectral flux has fallen to one-half of its extrapolated value in the absence of suppression, we find $E_\text{s}=(5.12\pm0.25\,\text{(stat)}^{+1.0}_{-1.2}\,\text{(sys)}){\times}10^{19}$ eV.Comment: Replaced with published version. Added journal reference and DO

Energy Estimation of Cosmic Rays with the Engineering Radio Array of the Pierre Auger Observatory

The Auger Engineering Radio Array (AERA) is part of the Pierre Auger Observatory and is used to detect the radio emission of cosmic-ray air showers. These observations are compared to the data of the surface detector stations of the Observatory, which provide well-calibrated information on the cosmic-ray energies and arrival directions. The response of the radio stations in the 30 to 80 MHz regime has been thoroughly calibrated to enable the reconstruction of the incoming electric field. For the latter, the energy deposit per area is determined from the radio pulses at each observer position and is interpolated using a two-dimensional function that takes into account signal asymmetries due to interference between the geomagnetic and charge-excess emission components. The spatial integral over the signal distribution gives a direct measurement of the energy transferred from the primary cosmic ray into radio emission in the AERA frequency range. We measure 15.8 MeV of radiation energy for a 1 EeV air shower arriving perpendicularly to the geomagnetic field. This radiation energy -- corrected for geometrical effects -- is used as a cosmic-ray energy estimator. Performing an absolute energy calibration against the surface-detector information, we observe that this radio-energy estimator scales quadratically with the cosmic-ray energy as expected for coherent emission. We find an energy resolution of the radio reconstruction of 22% for the data set and 17% for a high-quality subset containing only events with at least five radio stations with signal.Comment: Replaced with published version. Added journal reference and DO

Measurement of the Radiation Energy in the Radio Signal of Extensive Air Showers as a Universal Estimator of Cosmic-Ray Energy

We measure the energy emitted by extensive air showers in the form of radio emission in the frequency range from 30 to 80 MHz. Exploiting the accurate energy scale of the Pierre Auger Observatory, we obtain a radiation energy of 15.8 \pm 0.7 (stat) \pm 6.7 (sys) MeV for cosmic rays with an energy of 1 EeV arriving perpendicularly to a geomagnetic field of 0.24 G, scaling quadratically with the cosmic-ray energy. A comparison with predictions from state-of-the-art first-principle calculations shows agreement with our measurement. The radiation energy provides direct access to the calorimetric energy in the electromagnetic cascade of extensive air showers. Comparison with our result thus allows the direct calibration of any cosmic-ray radio detector against the well-established energy scale of the Pierre Auger Observatory.Comment: Replaced with published version. Added journal reference and DOI. Supplemental material in the ancillary file