Procesamiento de imagen en criomicroscopía electrónica con impacto en la industria farmacéutica

Vargas, Javier_Logo

Javier Vargas Balbuena posee una carrera investigadora de más de diez años a lo largo de los cuales ha tenido la oportunidad de trabajar en diversos centros como el Departamento de Óptica de la Universidad Complutense de Madrid, el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial, la Escuela Politécnica Superior de la Universidad San Pablo CEU, o el Centro Nacional de Biotecnología. Ha realizado dos estancias internacionales en la Universidad Católica de Lovaina y la Universidad de Leiden. Su tema central de investigación es el desarrollo de nuevos métodos de procesamiento de imagen y señal, que ha aplicado a diversos campos como son la metrología óptica, la óptica espacial, así como, la biología estructural. A lo largo de su carrera he obtenido diversas ayudas y reconocimientos como son una beca predoctoral FPU, un contrato postdoctoral “Juan de la Cierva” y una ayuda EMBO. Como resultado de su investigación ha publicado más de 77 publicaciones científico-técnicas y ha participado en más de 15 proyectos de investigación. Desde el 1 de septiembre de 2015 es Investigador ComFuturo en el Centro Nacional de Biotecnología del CSIC, donde desarrolla su proyecto “Procesamiento de imagen en criomicroscopía electrónica con impacto en la industria farmacéutica“.

Resumen del Proyecto

El campo de la Criomicroscopía Electrónica (CE) esta viviendo actualmente una revolución tanto a nivel de “hardware” como de “software”, lo que le está permitiendo empezar a analizar estructuras macromoleculares a alta resolución, siendo capaz de resolver detalles tan finos como 3 Angstroms en la estructura de forma relativamente rutinaria y con el horizonte puesto en romper esta barrera. Adicionalmente, CE tiene el potencial para proporcionar información tanto funcional como de interacción con ligandos mediante el procesamiento y análisis de la heterogeneidad estructural y conformacional presente en las imágenes obtenidas por el microscopio. Conocer la forma tridimensional de una estructura macromolecular a ese nivel de detalle, así como su dinámica e interacciones con ligandos, ayudará a las compañías farmacéuticas de forma radical en el diseño de nuevos fármacos con aplicaciones terapéuticas y permitirá establecer un link fuerte y estable entre la Biología Estructural mediante criomicroscopia electrónica y la industria farmacéutica. Esta conexión permitirá a esta última realizar una reducción muy significativa en los costes de producción y tiempos de desarrollo de nuevos fármacos a través de un incremento notable de la información estructural disponible. Así mismo, posibilitará un salto cualitativo en el campo de la microscopía electrónica mediante nuevas fuentes de financiación estables y poderosas. Para establecer esta conexión se requiere del desarrollo de nuevos métodos computacionales en criomicroscopía electrónica basados en algoritmos avanzados de procesamiento de imagen y métodos estadísticos de análisis de datos. Los objetivos del proyecto son diseñar las herramientas necesarias para romper la barrera de los 3 Å de resolución, desarrollar los nuevos algoritmos para el análisis de la heterogeneidad y finalmente proponer métodos de validación que permitan determinar la calidad y fiabilidad de las estructuras determinadas.

Aplicación:

El campo de la Criomicroscopía Electrónica está viviendo una revolución que le está permitiendo comenzar a analizar estructuras macromoleculares a muy alta resolución. Conocer la forma tridimensional de una estructura macromolecular a este nivel de detalle, así como su dinámica e interacciones con ligandos, ayudará de forma radical a las compañías farmacéuticas en el diseño de nuevos fármacos con aplicaciones terapéuticas, reduciendo muy significativamente los costes de producción y los tiempos de desarrollo.

Macromolécula reconstruida con cryo-EM con su estructura atómica fitteada

Producción científica derivada del Proyecto ComFuturo

 

Artículos científicos

  • J. Vargas; R. Melero; J. Gomez-Blanco; JM Carazo; COS Sorzano (2017). Quantitative analysis of 3D alignment quality: its impact on soft-validation, particle pruning and homogeneity analysis. SCIENTIFIC REPORTS. DOI: 10.1038/s41598-017-06526-z

 

  • D. Calles Garcia; M. Yang; N. Soya; R. Melero; M. Ménade; Y. Ito; J. Vargas; G.L. Lukacs; J.M. Kollman; G. Kozlov; K. Gehring (2017) Single-particle electron microscopy structure of UDPglucose: glycoprotein glucosyltransferase suggests a selectivity mechanism for misfolded proteins. JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY. DOI: 10.1074/jbc.M117.789495

 

  • J. Vargas; E. Franken; C.O.S Sorzano; J. Gomez-Blanco; R. Schoenmakers; A.J. Koster; J.M. Carazo (2016). Foil-hole and data image quality assessment in 3DEM: towards high-throughput image acquisition in the electron microscope. JOURNAL OF STRUCTURAL BIOLOGY. DOI: 10.1016/j.jsb.2016.10.006

 

  • J.L. Vilas; J. Navas; J. Gomez-Blanco; J.M de la Rosa-Trevín; R. Melero; I. Peschiera; I. Ferlengui; J. Cuenca; J.M. Carazo; J. Vargas, C.O.S Sorzano (2016). Fast and automatic identification of particles tilt pairs based on Delaunay triangulation. JOURNAL OF STRUCTURAL BIOLOGY. DOI: 10.1016/j.jsb.2016.10.007

 

  • C.O.S Sorzano; J. Vargas; J. Oton; V. Abrishami; J.M. de la Rosa-Trevín; J. Gomez-Blanco; J.L. Vilas; R. Marabini, J.M. Carazo (2016). A review of resolution measures and related aspects in 3D Electron Microscopy. PROGRESS IN BIOPHYSICS AND MOLECULAR BIOLOGY. DOI: 10.1016/j.pbiomolbio.2016.09.005

 

  • J. Vargas Balbuena; J. Otón Perez; R. Marabini Ruíz; J.M. Carazo García; C.O.S. Sorzano (2016). Particle alignment reliability in single particle electron cryomicroscopy. SCIENTIFIC REPORTS. DOI:10.1038/srep21626

 

  • J.M. de la Rosa Trevin; A. Quintana Pérez; L. del Caño; A. Zaldivar Peraza; I. Foche Pérez; J. Gutiérrez; J. Gómez Blanco; J. Burguet Castells; J. Cuenca Alba; V. Abrishami; J. Vargas Balbuena; J. Otón Perez; G. Sharov; J.L. Vilas Prieto; J. Navas Calvente; P. Conesa; M. Kazemi; R. Marabini Ruíz; C.O.S. Sorzano; J.M. Carazo García (2016). Scipion: a software framework toward integration, reproducibility, and validation in 3D Electron Microscopy. JOURNAL OF STRUCTURAL BIOLOGY. DOI: 10.1016/j.jsb.2016.04.010

 

  • C.O.S. Sorzano; A. Martín Ramos; F. Prieto; R. Melero del Rio; J. Martín Benito; S. Jonic; J. Navas Calvente; J. Vargas Balbuena; J. Otón Perez; V. Abrishami; J.M. de la Rosa Trevin; J. Gomez Blanco; J.L. Vilas Prieto; R. Marabini Ruíz; J.M. Carazo García (2016). Local analysis of strains and rotations for macromolecular electron microscopy maps (in press). JOURNAL OF STRUCTURAL BIOLOGY. DOI: 10.1016/j.jsb.2016.04.001

 

Trabajos presentados en congresos

  • J. Vargas Balbuena; J.M. Carazo Garcia; C.O.S. Sorzano. Soft alignment validation in cryo-electron microscopy. Cryo-EM 3D Image Analysis Symposium 2016. Presentación oral invitada. Tahoe, United States of America. 30/03/2016 – 02/04/2016

 

Charlas científicas invitadas

  • Computational Challenges in high-resolution cryogenic electron microscopy (2016). Invited Speaker. Department of Anatomy and Cell Biology, McGill University, Montreal, Canada.

 

  • Breaking resolution barriers in cryo-EM: current state and computational challenges ahead (2017). Invited speaker. Department of Computer Science, Duke University, Durham, USA.