Determinación de la rigidez a la flexión de biomembranas mediante el análisis de la fluctuación de su forma a partir de imágenes provenientes de videos de microscopía

• Autores: Amante, Sofia Veronica; Scurti, Pablo Ezequiel
• Año de publicación: 2022
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis de grado
• Colaborador/a o director/a de tesis: Rulloni, Valeria Soledad; Wilke, Natalia
• Materia: Proyecto Integrador I. Biom; Proyecto Integrador IB; Ingeniería biomédica; Python (Lenguaje de programación); Vesículas de Membrana; Péptidos Antimicrobianos Catiónicos; Fluidez de Membrana; Microscopía Confocal
• Institución: Universidad Nacional de Córdoba

Proyecto Integrador (I.Biom.)--FCEFN-UNC, 2022
Fil: Amante, Sofia Veronica. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina.
Fil: Scurti, Pablo Ezequiel. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina.
En este trabajo se pretende generar una herramienta que permita determinar la rigidez de membranas de vesículas unilamelares gigantes GUVs (por sus siglas en inglés, giant unilamellar vesicles) en presencia de diversos efectores, principalmente péptidos antimicrobianos. Las GUVs son muy utilizadas como modelo de biomembrana debido a que tienen tamaños micrométricos y por tanto pueden observarse mediante microscopía óptica. El desarrollo de este proyecto se realiza en lenguaje Python y comienza en la utilización de los videos de microscopía proporcionados por el laboratorio de Biomembranas del CIQUIBIC. Se inicia con la codificación de sus imágenes en matrices utilizables para su procesamiento digital en escala de grises que implica el filtrado morfológico y determinación del contorno en una escala bidimensional (ángulo polar, radio). Esta re-parametrización del contorno lo transforma en una señal unidimensional, radio en función del ángulo polar, para ser analizada según la variación en el tiempo de sus componentes de frecuencia. Cabe destacar que los videos proporcionados, aportan información del plano ecuatorial de las vesículas, por tanto es el plano de estudio. Luego continúa con el procesamiento matemático de estos datos utilizando un modelo que describe la amplitud cuadrática media de modos armónicos esféricos, la cual depende de la rigidez a la flexión de este tipo de membranas. Durante este proceso se utilizan diversidad de herramientas para su desarrollo. Por un lado definiciones, desarrollos y funciones matemáticas 4 En este trabajo se pretende generar una herramienta que permita determinar la rigidez de membranas de vesículas unilamelares gigantes (GUVs, por sus siglas en inglés, giant unilamellar vesicles) en presencia de diversos efectores, principalmente péptidos antimicrobianos. Las GUVs son ampliamente utilizadas como modelo de biomembrana debido a que tienen tamaños micrométricos y, por tanto, pueden observarse mediante microscopía óptica. El desarrollo de este proyecto se realiza en lenguaje Python y comienza con la utilización de los videos de microscopía proporcionados por el laboratorio de Biomembranas del CIQUIBIC. Se inicia con la codificación de sus imágenes en matrices utilizables para su procesamiento digital en escala de grises, lo que implica el filtrado morfológico y la determinación del contorno en una escala bidimensional (ángulo polar, radio). Esta reparametrización del contorno lo transforma en una señal unidimensional, radio en función del ángulo polar, para ser analizada según la variación en el tiempo de sus componentes de frecuencia. Cabe destacar que los videos proporcionados aportan información del plano ecuatorial de las vesículas, por lo que este es el plano de estudio. Luego, continúa con el procesamiento matemático de estos datos utilizando un modelo que describe la amplitud cuadrática media de modos armónicos esféricos, la cual depende de la rigidez a la flexión de este tipo de membranas. Durante este proceso se utilizan diversas herramientas para su desarrollo. Por un lado, definiciones, desarrollos y funciones matemáticas como polinomios de Legendre, modos de contorno expandido de Fourier, varianza y metodologías de iteración para definir un resultado en la rigidez a la flexión de las membranas con el mínimo error. Por otro lado, se emplean herramientas virtuales y de software utilizadas tanto para el desarrollo, visualización y generación de interfaces de interacción con los usuarios, como Colaboratory, Visual Studio Code, la plataforma Github y Streamlit. El resultado es una herramienta computacional de acceso y uso sencillo e intuitivo, que cuenta con un manual instructivo de uso explicado paso a paso. El usuario o laboratorista puede cargar el video a analizar en formato .mp4 desde su computadora e iniciar el procesamiento del video. Dada la variedad en la calidad de la señal y tipos de ruido de los videos que se pueden obtener por microscopía óptica confocal, se tiene la posibilidad de ajustar parámetros de procesamiento de imágenes, preestablecidos por defecto, para lograr los ajustes adecuados para el video que se desea analizar. La información se dispone en gráficos e impresiones en pantalla, tanto en etapas intermedias (resultados en cada instancia) como al finalizar el procesamiento (valores de rigidez a la flexión de la membrana), logrando así brindar información complementaria que ayuda al laboratorista en su proceso de análisis o estudio en desarrollo en el cual haga uso de esta información.
This work aims to develop a tool to determine the rigidity of giant unilamellar vesicle (GUV) membranes in the presence of various effectors, primarily antimicrobial peptides. GUVs are widely used as biomembrane models due to their micrometric sizes, making them observable through optical microscopy. The project is developed in Python, starting with microscopy videos provided by the Biomembranes Laboratory at CIQUIBIC. The process begins by encoding these images into matrices for digital processing in grayscale, involving morphological filtering and contour determination in a two-dimensional scale (polar angle, radius). This re-parameterization transforms the contour into a one-dimensional signal (radius as a function of polar angle) to analyze frequency component variations over time. The study focuses on the equatorial plane of the vesicles as shown in the videos. Mathematical processing follows, using a model that describes the mean square amplitude of spherical harmonic modes, which depends on the bending rigidity of these membranes. The development utilizes various tools, including mathematical functions such as Legendre polynomials, Fourier-expanded contour modes, variance, and iterative methodologies to minimize error in determining membrane rigidity. Virtual tools and software used include Colaboratory, Visual Studio Code, GitHub, and Streamlit. The result is an easy-to-use computational tool with a step-by-step instructional manual. Users can upload .mp4 videos from their computers for analysis. The tool allows adjustment of image processing parameters to accommodate different signal qualities and noise types in confocal optical microscopy videos. Data is presented through intermediate and final stage graphics and on-screen outputs, providing complementary information to assist laboratorians in their analysis or ongoing research.

Fil: Amante, Sofia Veronica. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina.
Fil: Scurti, Pablo Ezequiel. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina.