Cellular and molecular mechanobiology


About

Every time we blink, move a hand, draw a breath, or walk, cells in our body exert, transmit, withstand, and detect forces. This mechanical interaction with the environment determines how cells proliferate, differentiate, and move, and regulates development, tumorigenesis or wound healing.

Artistic rendering of a cell attaching to a substrate coated with a gold nano-pattern array, used to study how cells detect spatial cues (From Oria et al. 2017, Nature)

Just like biochemical stimuli initiate signaling cascades, mechanical forces affect the links and conformation of a network of molecules connecting cells to the extracellular matrix. Our research aims precisely at unraveling the mechanisms that these molecules use to detect and respond to mechanical stimuli like forces or tissue rigidity, triggering downstream cell responses. To this end, we combine biophysical techniques like magnetic tweezers, Atomic Force Microscopy, traction microscopy, and microfabricated force sensors with molecular biology, advanced optical microscopy, and theoretical modelling.

Sensing rigidity: Using this multi-disciplinary approach, we have recently unveiled a molecular mechanism that cells employ to detect and respond to the rigidity of their environment, which could be crucial in breast tissue and breast cancer (Elosegui-Artola et al., 2016 Nat. Cell Biol., and Elosegui-Artola et al. 2014, Nature Mater.). This mechanism is mediated by what is known as a “molecular clutch”: in a surprising analogy with a car engine, cells can be understood as a molecular network that can engage and disengage from its environment, just as the clutch of a car. This affects force transmission from the environment to cells, and also within different cell components. Recently, we have begun to explore how force transmission to the nucleus affects the dynamics of transcriptional regulators, such as YAP (Elosegui-Artoal et al., 2017, Cell).

Cartoon depicting how force transmission to the nucleus affects nuclear pores, leading to nuclear protein import (from Elosegui-Artola et al. 2017, Cell)

Sensing the environment: We are currently expanding on the idea of the molecular clutch, to explore how cell molecular engines sense not only mechanical rigidity, but other important parameters from their environment: for instance, the composition and distribution of ligands in the extracellular matrix, or other cells. In this regard, we recently uncovered that this concept can explain how cells sense the spatial distribution of ligands in the extracellular matrix (Oria et al., Nature 2017). We have also demonstrated that cell-cell force transmission, mediated by a molecular clutch, is essential for cells to sense gradients in stiffness (Sunyer et al., Science 2016, in collaboration with the group of Xavier Trepat).

The membrane as a mechanosensor: Due to its mechanical properties, the plasma membrane itself can respond to forces and act as a mechanosensor. Recently, we have shown that cell membranes can use purely physical principles to adapt their shape in response to mechanical forces (Kosmalska et al., 2015, Nat. Commun.). We are currently studying how cells harness this physical membrane behavior to respond to signals from their environment.

Ultimately, when we determine the molecular mechanisms that communicate cells with their environment, we will understand how forces determine development when things go right, and tumor formation when they go wrong.

 

Video: How tissue stiffness activates cancer

 

Staff

Pere Roca-Cusachs Soulere | Group Leader
Ion Andreu Arzuaga | Postdoctoral Researcher
Amy Beedle | Postdoctoral Researcher
Alberto Elosegui Artola | Postdoctoral Researcher
Laura Faure | Postdoctoral Researcher
Zanetta Zoi (Jenny) Kechagia | Postdoctoral Researcher
Anabel-Lise Le Roux | Postdoctoral Researcher
Ignacio Viciano Gonzalo | Postdoctoral Researcher
Ignasi Granero Moya | PhD Student
Marc Molina Jordán | PhD Student
Marina Pavlova | PhD Student
Xarxa Quiroga Álvarez | PhD Student
Srivatsava Viswanadha Venkata Naga Sai | PhD Student
Susana Usieto Camín | Laboratory Technician
Diego Baranda Martínez-Abascal | Masters Student
Aurora Dols Pérez | Visiting Researcher

 


 

Projects

European projects
MECHANOCONTROL · Mechanical control of biological function (2017-2021) European Commission, FET Proactive Pere Roca-Cusachs
TALVIN · Inhibiting mechanotransduction for the treatment of pancreatic cancer (2018-2020) European Commission, FET Innovation Launchpad Pere Roca-Cusachs
National projects
Desarrollo de una terapia innovadora para el tratamiento de los tumores sólidos mediante la inhibición de la mecanotransducción (2018-2020) MINECO, Subprograma Retos-Colaboración Pere Roca-Cusachs
IMREG El sistema acoplado entre integrinas y proteínas adaptadoras como regulador mecánico del comportamiento celular (2016-2020) MINECO, Proyectos I+D Excelencia Pere Roca-Cusachs
Privately-funded projects
Understanding and measuring mechanical tumor properties to improve cancer diagnosis, treatment, and survival: Application to liquid biopsies (2017-2020) Obra Social La Caixa Pere Roca-Cusachs
Finished projects
MECHANOMEMBRANE Redes mecanoquímicas en la membrana plasmática (2017-2018) MINECO, Subprograma Estatal de Generación de Conocimiento “EUROPA EXCELENCIA” Pere Roca-Cusachs
Stromal stiffness in tumor progression (2014-2017) Fundació La Marató de TV3 Pere Roca-Cusachs
MECBIO Red de Excelencia en Mecanobiología (2014-2016) MINECO, Subprograma Estatal de Generación de Conocimiento “REDES DE EXCELENCIA” Pere Roca-Cusachs
Inhibiting mechanostransduction as a novel therapy in the treatment of solid tumors (2017-2018) Obra Social La Caixa Pere Roca-Cusachs

 

Publications

Click here for a list of publications by Pere Roca-Cusachs with IBEC affiliation.

Click here for a full list of publications including those affiliated to other organisations.

Equipment

  • Confocal Microcopy
  • Traction Microscopy
  • Live cell fluorescence microscopy
  • Cell stretching
  • Cell culture
  • Magnetic Tweezers
  • Atomic Force Microscopy
  • Surface Micro/Nano-patterning
  • Optical tweezers

Collaborations

  • Dr. Nils Gauthier
    Mechanobiology Institute, Singapore
  • Prof. Miguel Ángel del Pozo
    Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares (CNIC), Madrid
  • Prof. Marino Arroyo
    UPC, Barcelona
  • Prof. Ada Cavalcanti
    University of Heidelberg, Germany
  • Satyajit Mayor
    National Centre for Biological Sciences, Bangalore, India
  • Sergi Garcia-Manyes
    King’s College, London, UK
  • Cheng Zhu
    Georgia Tech, Atlanta, USA
  • Louise Jones
    Barts Cancer Institute, London, UK

 

News/Jobs

El investigador Pere Roca-Cusachs entra en la élite europea de biología

Pere Roca-Cusachs, investigador principal del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) y profesor agregado de la Facultad de Medicina de la Universidad de Barcelona (UB), ha sido elegido para formar parte de la prestigiosa EMBO, la Organización Europea de Biología Molecular, una red que agrupa a algunos de los investigadores más brillantes del mundo.

Roca-Cusachs es un pionero en Europa en el campo de la mecanobiología y el estudio de cómo las fuerzas físicas afectan a procesos como el cáncer.

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El IBEC recibe financiación para tres proyectos de la mano de la Marató 2018

Tres proyectos en los que participa el IBEC han sido seleccionados para recibir financiación de La Marató 2018 “Contra el cáncer”. Uno de los proyectos es liderado por el investigador Pere Roca-Cusachs y los otros dos son co-liderados por los investigadores Xavier Trepat y Núria Montserrat.

La ceremonia de entrega de los diplomas acreditativos tuvo lugar el 30 de octubre en el Auditorio de la Academia de Ciencias Médicas y de la Salud de Cataluña y de Baleares. En esta edición se han escogido 43 proyectos de los 188 evaluados por un comité de expertos en cáncer de ámbito internacional, en función de su excelencia, metodología y relevancia.

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Gran éxito de la escuela de verano “Mecanobiología del Cancer 2019” organizada por el proyecto Mechano·Control

Más de 60 personas asistieron a la escuela de verano “Mecanobiología del Cáncer 2019” organizada por el IBEC, puesto que el centro es el coordinador del proyecto Mechano·Control. La escuela de verano se celebró en Prullans, un pequeño pueblo ubicado en los Pirineos catalanes entre el 17 y el 21 de septiembre. El evento fue un gran éxito tanto en participación como a nivel científico. El objetivo de la escuela de verano era proporcionar capacitación en mecanobiología, y específicamente su aplicación al cáncer de mama, y promover las interacciones entre profesionales del campo.

La escuela incluyó conferencias y talleres prácticos sobre diferentes técnicas y disciplinas, desde la biomecánica hasta la biología del cáncer. El proyecto Mechano·Control, coordinado por Pere Roca-Cusachs, investigador principal del IBEC, es el mayor proyecto europeo coordinado la institución hasta la fecha.

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Pere Roca gana el premio Investigador Joven de EBSA

Pere Roca-Cusachs, investigador principal del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), ha ganado el premio Investigador Joven 2019 por sus contribuciones en el campo de la mecano biología. El premio lo otorga la European Biophysical Societies Association (EBSA).

La asociación EBSA otorga este premio cada dos años, el último ganador del premio fue Philipp Kukura de la universidad de Oxford, en el Reino Unido en 2017. El premio reconoce a un investigador que haya defendido su tesis hace menos de 12 años de cualquier lugar en Europa al que se le concede un premio de 2000 € y una medalla, además podrá contribuir con un artículo al European Biophysics Journal.

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Escuela de verano 2019 sobre la Mecanobiología del Cancer

El consorcio MECHANO·CONTROL, liderado por varias instituciones de investigación de Europa, lanza una escuela de verano que tendrá lugar del 17 al 20 de septiembre de 2019 en el Eco-Resort en La Cerdanya. El objetivo de la escuela de verano es proporcionar formación en mecanobiología, y específicamente, su aplicación al cáncer de mama.

Esta escuela incluirá conferencias, así como talleres prácticos en diferentes técnicas y disciplinas, que van desde el modelado a la biomecánica, hasta la biología del cáncer.
Habrá sesiones científicas por la mañana, en las que se mezclarán conferencias de 6 ponentes principales con 18 charlas cortas seleccionadas a partir de los abstract de los investigadores junior que asistan a la escuela.

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