Estudio de procesos moleculares en modelos celulares realizados con Blender y MCell

Este trabajo consiste en el estudio y analisis de procesos moleculares que se desarrollan en una parte de la neurona denominada “espina dendritica”. En una sinapsis quimica participan un elemento presinaptico, generalmente un axon, y un elemento postsinaptico, que en nuestro caso es una espina dendritica. Cuando llega al axon una senal electrica, esta se transmite a la espina a traves de una serie de procesos moleculares que incluyen un aumento de calcio dentro de la espina. Se va a estudiar mediante simulaciones el comportamiento del calcio del interior de la espina. Cuando se activa la sinapsis, la espina se llena de calcio libre, que posteriormente sera absorbido y neutralizado o directamente expulsado de la misma para preparar la sinapsis para repetir el proceso. Se analizara si la morfologia de la espina puede hacer que la velocidad de este proceso varie. Mediante Blender (herramienta de diseno y animacion 3D), MCell (software que simula la difusion y las reacciones de las moleculas dentro y fuera de las celulas) y con el addon “CellBlender” (conecta MCell con Blender para su uso conjunto), se disenara un modelo idealizado de espina dendritica, que servira de base para las simulaciones. Con scripts de Python se optimizara y automatizara el proceso de simulaciones de la siguiente fase, debido a que, si se reprodujesen manualmente los modelos, se tardaria mucho tiempo en algo que se puede hacer automaticamente. Tambien se programara un codigo en Java para automatizar el analisis de la recogida de datos exportada por las simulaciones. Usando como base este modelo idealizado, se realizaran simulaciones de modelos de espinas dendriticas reales reconstruidas a partir de imagenes de microscopio electronico, con distintas geometrias y volumenes. Se recogeran datos cuantitativos sobre las concentraciones y comportamiento de las moleculas de calcio para su posterior analisis. Finalmente se analizaran y estudiaran todos los datos recogidos, sacando conclusiones sobre la influencia de la superficie y volumen de las espinas (asi como de otros elementos internos) en el proceso postsinaptico.---ABSTRACT---This project studies & analyses the molecular processes that happens inside a part of the neuron called “dendritic spine”. A dendritic spine is a postsynaptic element (in specific, a chemical synapsis) that is responsible (through certain molecular processes) of continuing the electric signal transmitted through the presynaptic element called “axon”. Through model simulations we are going to study the behaviour of the Calcium that rests inside the spine. During the synaptic process, the spine is filled with free Calcium, which will be absorbed and neutralized or directly expelled from it to prepare the next synapse and repeat the process. We will analyze if the morphology of the spine can change the speed of this process. Using Blender (3D animation & design software), MCell (program that simulates the diffusion and reactions of the molecules inside and outside the cell) and the addon CellBlender (links MCell with Blender so that they can be used together), we will design an ideal dendritic spine model that will be used as a base project for the simulations. With Python scripts we will optimize and automate the simulation process for the next phase, and that’s because if the models were to be reproduced manually, they would take a long time for something that can be done automatically. A Java code will also be programmed to automate the data extraction that was exported by the simulations for the later analysis. With the ideal model, we will run simulations of different dendritic spines models, with different geometries and volumes, gathering quantitative data about the concentrations and behavior of the molecules. Finally, the gathered data will be analyzed and studied, drawing conclusions about the influence of the surface and volume of the spines (as well as other internal elements) within the postsynaptic process.