Treball final de màster oficial fet en col·laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB) i Institut de Ciències Fotòniques (ICFO)

[ANGLÈS] The intricate molecular events that contribute for the non-homogenous and dynamic nature of the cell membrane occur at spatial and time scales which are not readily accessible by conventional microscopy techniques. This thesis explores the combination of photonic antenna devices and fluorescence correlation spectroscopy (FCS) to achieve simultaneously a high spatial (~10 nm) and temporal (~1 ms) resolution that allow the study of the molecular dynamics of a living cell membrane in a non-invasive way. In the first part of this work, confocal microscopy and optical antenna experiments of single fluorescent dyes diffusing in water were performed to characterize and validate the experimental approach. In the second part, preliminary results on the diffusion of lipids in living cell membranes using an antenna-in-box are reported. Due to its geometry and nanophotonic properties, the antenna-in-box provides simultaneous background suppression, volume reduction and fluorescence enhancement, which in combination with FCS seems to be an ideal tool to unravel the molecular processes that govern cell membrane organization and function.

[CASTELLÀ] Los eventos moleculares complejos que contribuyen a la naturaleza no homogénea y dinámica de la membrana celular se producen en escalas espaciales y temporales que no son fácilmente accesibles mediante técnicas de microscopía convencional. Esta tesis explora la combinación de dispositivos de antena fotónicos y espectroscopia de correlación de fluorescencia (FCS) para lograr simultáneamente una alta resolución espacial (~ 10 nm) y la resolución temporal (~ 1 ms) que permiten el estudio de la dinámica molecular de la membrana de una célula viva de una manera no invasiva. En la primera parte de este trabajo, se realizaron experimentos de microscopía confocal y de antenas ópticas de moléculas fluorescentes individuales difundendio en agua para caracterizar y validar el enfoque experimental. En la segunda parte, se presentan los resultados preliminares sobre la difusión de los lípidos en las membranas celulares usando una antenna-in-box. Debido a sus propiedades nanofotónicas y geométricas, la antena-in-box ofrece supresión de ruido, reducción de volumen y mejora de fluorescencia, que en combinación con FCS parece ser una herramienta ideal para desentrañar los procesos moleculares que regulan la organización de la membrana celular y la función.

[CATALÀ Els esdeveniments moleculars complexos que contribueixen a la naturalesa no homogènia i dinàmica de la membrana cel·lular es produeixen en escales espacials i temporals que no són fàcilment accessibles mitjançant tècniques de microscòpia convencional. Aquesta tesi explora la combinació de dispositius d'antena fotònics i espectroscòpia de correlació de fluorescència (FCS) per aconseguir simultàniament una alta resolució espacial (~ 10 nm) i la resolució temporal (~ 1 ms) que permeten l'estudi de la dinàmica molecular de la membrana d'una cèl·lula viva d'una manera no invasiva. A la primera part d'aquest treball, es van realitzar experiments de microscòpia confocal i d'antenes òptiques de molècules fluorescents individuals difonent en aigua per caracteritzar i validar l'enfocament experimental. A la segona part, es presenten els resultats preliminars sobre la difusió dels lípids en les membranes cel·lulars usant una antenna-in-box. Causa de les seves propietats nanofotòniques i geomètriques, l'antena-in-box ofereix supressió de soroll, reducció de volum i millora de fluorescència, que en combinació amb FCS sembla ser una eina ideal per desentranyar els processos moleculars que regulen l'organització de la membrana cel·lular i la funció.