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

Muurinen Celada, Daniel Benito (2020). Estudio de procesos moleculares en modelos celulares realizados con Blender y MCell. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S. de Ingenieros Informáticos (UPM), Madrid, España.

Description

Title: Estudio de procesos moleculares en modelos celulares realizados con Blender y MCell
Author/s:
  • Muurinen Celada, Daniel Benito
Contributor/s:
  • Merchán Pérez, Ángel
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería Informática
Date: June 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingenieros Informáticos (UPM)
Department: Arquitectura y Tecnología de Sistemas Informáticos
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Este trabajo consiste en el estudio y análisis de procesos moleculares que se desarrollan en una parte de la neurona denominada “espina dendrítica”. En una sinapsis química participan un elemento presináptico, generalmente un axón, y un elemento postsináptico, que en nuestro caso es una espina dendrítica. Cuando llega al axón una señal eléctrica, esta se transmite a la espina a través 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 será absorbido y neutralizado o directamente expulsado de la misma para preparar la sinapsis para repetir el proceso. Se analizará si la morfología de la espina puede hacer que la velocidad de este proceso varíe. Mediante Blender (herramienta de diseño y animación 3D), MCell (software que simula la difusión y las reacciones de las moléculas dentro y fuera de las células) y con el addon “CellBlender” (conecta MCell con Blender para su uso conjunto), se diseñará un modelo idealizado de espina dendrítica, que servirá de base para las simulaciones. Con scripts de Python se optimizará y automatizará el proceso de simulaciones de la siguiente fase, debido a que, si se reprodujesen manualmente los modelos, se tardaría mucho tiempo en algo que se puede hacer automáticamente. También se programará un código en Java para automatizar el análisis de la recogida de datos exportada por las simulaciones. Usando como base este modelo idealizado, se realizarán simulaciones de modelos de espinas dendríticas reales reconstruidas a partir de imágenes de microscopio electrónico, con distintas geometrías y volúmenes. Se recogerán datos cuantitativos sobre las concentraciones y comportamiento de las moléculas de calcio para su posterior análisis. Finalmente se analizarán y estudiarán todos los datos recogidos, sacando conclusiones sobre la influencia de la superficie y volumen de las espinas (así como de otros elementos internos) en el proceso postsináptico.---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.

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Item ID: 63105
DC Identifier: http://oa.upm.es/63105/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:63105
Deposited by: Biblioteca Facultad de Informatica
Deposited on: 20 Jul 2020 10:53
Last Modified: 20 Jul 2020 10:53
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