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Nanoscale bioelectrical characterization

ABOUT

The main goal of the Nanoscale Bioelectrical Characterization group is to develop a multiscale and multimodal (electrical, mechanical) approach to Bioelectricity, covering from the nano- to the microscale. To this end the group combines methods and techniques from Scanning Probe Microscopy, Artificial Intelligence and Organic Bioelectronics. The main objective is to contribute to develop new label-free characterization tools for Life Sciences, new nanomedical diagnosis approaches and new electronic biosensors.

Autonomous multimodal scanning probe microscopes for Life Sciences 

At present the group focuses in the development of an Autonomous Multimodal Functional Scanning Probe Microscope assisted by Artificial Intelligence for Life Sciences and Medical applications. The objective is to map the structural, electrical and mechanical properties at the nanoscale of cells, bacteria, drug nanocarriers and organic Bioelectronic devices with minimal intervention of the operator and at high throughput.  

The objective is to obtain in an autonomous way fast functional electric and mechanical nanoscale maps of Life Science samples and Organic Electronics devices in physiological conditions with minimal intervention of the operator and at high throughput. 

Initial results obtained by the group include the upgrade of the Scanning Dielectric Microscope to enable its operation in physiological buffers for living cell imaging, the development of a supervised machine learning algorithm to process Scanning Dielectric Microscopy data and provide almost instantaneously local dielectric constant maps of both eukaryotic and prokaryotic cells, and the implementation of a workflow for Scanning Dielectric Microscopy for high throughput and automatic nanoscale multimodal (electrical and mechanical) characterization. 

High throughput multimodal characterization of drug nanocarriers  

The development of novel drug nanocarriers require an exhaustive multiparametric characterization, which includes its morphology and structure, net charge, particle size distribution or phase transition temperature. These characteristics are obtained usually from different techniques. We target to obtain simultaneously and at high throughput multiparametric information on drug nanocarriers by using a single instrument, namely, the autonomous multimodal in liquid Scanning Dielectric Microscope. We aim at obtaining information on the size, sphericity, membrane wall thickness, lamellarity, Young’s modulus, stiffness, surface charge and membrane specific capacitance of drug nanocarriers, such as liposomes, polymeric nanoparticles or lipid nanoparticles. 

Interrelation of mechanical and electrical processes in living neurons 

Mechanical and electrical processes in cells and tissues can sometimes appear interrelated, as for instance, in the action potential propagation in neurons, which provokes the electrical polarization of the cell membrane and, at the same time, a change in neuron’s membrane tension. Similarly, the restructuring of the cytoskeleton of neurons, as occurring in the Alzheimer disease, can induce a change in cellular stiffness and, consequently, an improper neuron firing. We aim at investigating this interrelation by means of the multimodal in liquid Scanning Dielectric Microscope applied to living neurons. 

Unravelling the electrical conduction properties of cable bacteria 

Long-range electron conduction in cable bacteria filaments presents unusual characteristics in the biological world, exceeding by more than 6 orders of magnitude the conductivity of the best conducting protein nanowires. Electric conduction takes place through Niquel rich protein nanofibers located in the bacteria periplasm, but still many aspects of the electronic conduction in cable bacteria remain unknown. We aim at providing new insights on the conducting properties of cable bacteria by using the unique capabilities and versatility of the Scanning Dielectric Microscope. 

Novel nanoscale physical phenotyping of cancer cells 

The whole process of cancer aggression, from local growth to extravasation into blood vessels, migration, seeding into different organs and formation of metastases involves physical changes (mechanical and electrical) and their interplay with protein expression and genetic transformations. We aim at developing a high throughput nanoscale multimodal physical phenotyping method for cancer cells based on the Scanning Dielectric Microscope. Our ling term objective is to provide additional diagnostics tools to medical doctors for evaluating cancer progression and aggression. 

Structure-function relationships for materials in Organic Bioelectronics 

Organic semiconductor materials have emerged as key materials in the development of platforms (e.g. electrolyte gated transistors) for transducing and amplifying biological and biochemical signals. This fact makes them an integral part of diverse biosensing and bioelectronic devices able to sense even single molecules or to record bioelectric potentials from excitable cells. The fundamental understanding of the nanoscale electronic and ionic transport governing the operation of these materials and devices remains, however, poorly understood. We aim at providing new insights into the structure-function relationship of organic materials used in Bioelectronics with the unique capabilities of the multimodal in operando in-liquid Scanning Dielectric Microscope. 

Top: In operando in-liquid Scanning Dielectric Microscope for multimodal (structural, mechanical and electrical) nanoscale characterization of samples in electrolyte solutions. Bottom (from left to right): Topography, electric force and Young’s modulus nanoscale images of a neurite from a living neuron in physiological buffer obtained with the multimodal Scanning Dielectric Microscope. 
Left: Dielectric constant map of fixed HeLa cells obtained by processing and analysing experimental data obtained with the Scanning Dielectric Microscope in dry air environment. Total processing time was three months. Centre: 10% of the dielectric constant map used to train a neural network to quantify the Scanning Dielectric Microscopy experimental data. Right: Output of the trained neural network when applied to the Scanning Dielectric Microscopy experimental data. Computation time: three seconds. The accuracy of the Neural Network prediction is above 90%. 
Left: Topographic image of cable bacteria filament with an isolated electrically conducting protein nanofiber. Centre and Right: Topographic and Electric force image of the portion of the nanofiber highlighted on the left image obtained with the Scanning Dielectric Microscope in dry air environment. From these images one can determine the electrical conductivity of the protein nanofiber without the need to attach any microelectrode or touching physically the nanofiber. 

STAFF

Staff members:

Gabriel Gomila Lluch

Group Leader
+34 934 020 206
ggomilaibecbarcelona.eu

Former members:

Harishankar Balakrishnan | PhD Student 
Now: Post-doc, University of Munich (Germany) 
Ignacio Casuso | PhD Student 
Now: Staff Scientist, INSERM (France) 
Maria Chiara Biagi | PhD Student 
Now: In-vivo Image Analysis Scientist, AstraZenca (Spain) 
Marti Checa | PhD Student 
Now: R&D Staff scientist, Oak Ridge National Laboratory (USA) 
Martin Edwards | Postdoc 
Now: Assistant Professor, University of Arkansas (USA) 
Daniel Esteban Ferrer | PhD Student 
Now: CEO, ViR S.L. (Spain) 
Laura Fumagalli | Senior Researcher 
Now: Reader, University of Manchester (UK) 
Georg Gramse | PhD Student 
Now: Group Leader, Johannes Kepler University of Linz (Austria) 
Larisa Huetter | PhD Student 
Now: IT consultant, Rewion (Germany) 
Adrica Kyndiah | Postdoc 
Now: Senior Scientist, Instituto Italiano di Tecnologia (Italy) 
Helena Lozano | PhD Student 
Now: Project Manager, CSIC (Spain) 
Martina di Muzzio | PhD Student 
Now: Engineer PMQ, Roche (Spain) 
Jordi Otero | Postdoc 
Now: Lecturer, Universitat de Barcelona (Spain) 
Shubham Tanwar | PhD Student 
Now: Post-doc, Italian Institute of Technology (Italy) 
Romen Trujillo | PhD Student 
Now: Associate Professor, Universitat de Barcelona (Spain) 
Marc Van der Hofstadt | PhD Student 
Now: Post-doc, CNRS (France) 

PROJECTS

INTERNATIONAL PROJECTSFINANCERPI
PRINGLE · Protein Based Next Generation Electronics (2022-2026)European Commission, PathFinder OpenGabriel Gomila

NATIONAL PROJECTSFINANCERPI
ICREA Academia Award (2023-2027)
Catalan Institution for Research and Advanced Studies (ICREA) / Generalitat de CatalunyaGabriel Gomila
FINISHED PROJECTSFINANCERPI
SGR Grups de recerca consolidats (2017-2020)AGAUR / SGRGabriel Gomila
SPM2.0 · Scanning probe microscopies for nanoscale fast, tomographic and composition imaging (2017-2020)Marie Curie Skłodowska European Training Network (MSCA-ITN-ETN)Gabriel Gomila (Project Coordinator)
NANOMICROWAVE · Microwave Nanotechnology for Semiconductor and Life Sciences (2013-2016)MARIE CURIE – ITNGabriel Gomila
V-SMMART Nano · Volumetric Scanning Microwave Microscopy Analytical and Research Tool for Nanotechnology (2012-2016)NMP – SMEGabriel Gomila
AFM4NanoMed&Bio · European network on applications of Atomic Force Microscopy to Nanomedicine and Life SciencesEU COST Action TD1002Gabriel Gomila (Management Committee Substitute Member)
BIOWIRESENSE · Plataforma universal para la detección de biomarcadores basada en nanocables bacterianos conductores (2017-2019)MINECO, Explora CienciaGabriel Gomila
NANOELECTOMOGRAPHY· Electrical nanotomography based on scanning probe microscopy for nanomaterials and biological samples (2014-2016)MINECO (TEC2013-48344-C2-1-P)Gabriel Gomila
NANOELECTROPHYS · Scanning Electric Force Microscope for Electrophysological Recordings at the Nanoscale
(2016-2019)
MINECO (TEC2016-79156-P)
Gabriel Gomila
ICREA Academia Award (2015-2019)Catalan Institution for Research and Advanced Studies (ICREA) / Generalitat de CatalunyaGabriel Gomila
BORGES · Biosensing with ORGanic ElectronicS (2019-2022)Marie Curie Skłodowska European Training Network (MSCA-ITN-ETN)Gabriel Gomila
BIGDATASPM ·  Métodos de datos masivos aplicados a la Microscopía de Sonda de Barrido para estudios eléctricos funcionales en ciencias de la vida (2020-2023)MINECO,  Generación Conocimiento: Proyectos I+DGabriel Gomila

PUBLICATIONS

EQUIPMENT

  • Cypher Atomic Force Microscope (Asylum Research)
  • Nanowizard 4 Bio-Atomic Force Microscope (JPK)
  • Cervantes Atomic Force Microscope (Nanotec Electronica)
  • Easy Scan 2 Atomic Force Microscope (Nanosurf)
  • AxioImager A1m Reflection Optical Microscope (Zeiss) equipped with a AxioCam ERc5s (Zeiss)
  • CompactStat portable electrochemical interface and impedance analyzer (Ivium Technologies)
  • Palmsens 4, 8 channel Potentiostat (Palmens)
  • 2 eLockIn204 4-phase Lock-In amplifiers (Anfatec)
  • Keithley 6430 sub-femtoAmp remote sourcemeter
  • Keysight B2912A precision Source/Measure Unit, 2 channels
  • Keysight N9310A RF Signal Generator 9 kHz to 3.0 GHz
  • Computation Workstation Intel Xeon, NVIDIA RTXA5000 

COLLABORATIONS

  • Dr. Filip Meysman 
    University of Antwerp, Belgium 
  • Dra. Adrica Kyndiah 
    Italian Institute of Technology, Italy 
  • Dr. Martí Checa 
    Oak Ridge National Laboratory, USA 
  • Dr. Jordi Borrell 
    University of Barcelona, Spain 
  • Dra. Marta Mas-Torrents 
    Institut de Ciències de Materials de Barcelona, Spain 
  • Dr. Eduard Torrents 
    Institut de Bioenginyeria de Catalunya, Spain  
  • Dr. Jose Antonio del Rio 
    Institut de Bioenginyeria de Catalunya, Spain  

NEWS

Investigadores de toda Europa se reunieron para la reunión de lanzamiento del proyecto SPM4.0, una innovadora Red Doctoral Marie Curie Skłodowska (MSCA-DN) dedicada a avanzar en las capacidades de la microscopía de sonda de barrido (SPM) autónoma impulsada por Inteligencia Artificial. El evento, celebrado en el IBEC, marcó el comienzo de una iniciativa con visión de futuro destinada a formar a una nueva generación de investigadores e investigadoras para ampliar los límites de la tecnología dentro de los campos de las ciencias de la vida y la medicina.

El IBEC acoge la reunión de lanzamiento del proyecto europeo SPM4.0

Investigadores de toda Europa se reunieron para la reunión de lanzamiento del proyecto SPM4.0, una innovadora Red Doctoral Marie Curie Skłodowska (MSCA-DN) dedicada a avanzar en las capacidades de la microscopía de sonda de barrido (SPM) autónoma impulsada por Inteligencia Artificial. El evento, celebrado en el IBEC, marcó el comienzo de una iniciativa con visión de futuro destinada a formar a una nueva generación de investigadores e investigadoras para ampliar los límites de la tecnología dentro de los campos de las ciencias de la vida y la medicina.

La 1ª Jornada Colaborativa Traslacional entre el Vall d’Hebron Instituto de Investigación (VHIR) y el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), celebrada el 21 de noviembre, ha sido una oportunidad para conocer proyectos y líneas de investigación de ambas instituciones y promover la interacción entre los profesionales.

El IBEC y el VHIR celebran una jornada de colaboración para fomentar las sinergias

La 1ª Jornada Colaborativa Traslacional entre el Vall d’Hebron Instituto de Investigación (VHIR) y el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), celebrada el 21 de noviembre, ha sido una oportunidad para conocer proyectos y líneas de investigación de ambas instituciones y promover la interacción entre los profesionales.

El IBEC y el Banc de Sang i Teixits han celebrado una jornada para explorar nuevas colaboraciones en bioingeniería y medicina traslacional. El encuentro, celebrado ayer en el IBEC, destacó proyectos innovadores, presentó un programa de doctorado conjunto y reforzó la conexión entre investigación biomédica y aplicaciones clínicas.

El IBEC y el Banco de Sangre y Tejidos fortalecen lazos con una jornada de colaboración traslacional

El IBEC y el Banc de Sang i Teixits han celebrado una jornada para explorar nuevas colaboraciones en bioingeniería y medicina traslacional. El encuentro, celebrado ayer en el IBEC, destacó proyectos innovadores, presentó un programa de doctorado conjunto y reforzó la conexión entre investigación biomédica y aplicaciones clínicas.

IBEC’s 17th Annual Symposium focused on ‘Bioengineering for Emergent and Advanced Therapies’, one of IBEC’s key application areas. Around 300 people attended the event, including local and international researchers. It was a multidisciplinary environment in which experts from other centres and the IBEC community itself had the opportunity to present their projects and share knowledge.

Bioingeniería para las terapias emergentes y avanzadas en el 17º Simposio del IBEC

IBEC’s 17th Annual Symposium focused on ‘Bioengineering for Emergent and Advanced Therapies’, one of IBEC’s key application areas. Around 300 people attended the event, including local and international researchers. It was a multidisciplinary environment in which experts from other centres and the IBEC community itself had the opportunity to present their projects and share knowledge.

El IBEC coordinará SPM4.0 y participará como socio en ENTRY-DM, dos de los proyectos seleccionados en la convocatoria 2023 de redes de doctorado dentro del marco de las Acciones Marie Skłodowska-Curie (MSCA). Gracias a estos dos proyectos, el IBEC incorporará a tres nuevos doctorandos a su plantilla.

Dos proyectos con participación del IBEC seleccionados en la convocatoria de redes de doctorado MSCA

El IBEC coordinará SPM4.0 y participará como socio en ENTRY-DM, dos de los proyectos seleccionados en la convocatoria 2023 de redes de doctorado dentro del marco de las Acciones Marie Skłodowska-Curie (MSCA). Gracias a estos dos proyectos, el IBEC incorporará a tres nuevos doctorandos a su plantilla.

Un estudio liderado por el IBEC ha conseguido elaborar un mapa del potencial eléctrico local a lo largo de la estructura de transistores orgánicos utilizados en bioelectrónica que permite hacer una evaluación detallada de los cuellos de botella en el transporte de carga. El objetivo de este estudio es profundizar en la comprensión de las propiedades del transporte de carga en materiales utilizados en la electrónica orgánica en contacto en medios líquidos y mejorar su aplicación en biosensores o grabaciones bioeléctricas.

Nueva metodología para estudiar transistores orgánicos en funcionamiento con aplicaciones en bioelectrónica

Un estudio liderado por el IBEC ha conseguido elaborar un mapa del potencial eléctrico local a lo largo de la estructura de transistores orgánicos utilizados en bioelectrónica que permite hacer una evaluación detallada de los cuellos de botella en el transporte de carga. El objetivo de este estudio es profundizar en la comprensión de las propiedades del transporte de carga en materiales utilizados en la electrónica orgánica en contacto en medios líquidos y mejorar su aplicación en biosensores o grabaciones bioeléctricas.

Los investigadores del IBEC Elisabeth Engel y Gabriel Gomila han sido galardonados con la distinción «ICREA Academia» que otorga la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA). Tanto Engel … Read more

Elisabeth Engel y Gabriel Gomila reciben la distinción del programa ICREA Academia

Los investigadores del IBEC Elisabeth Engel y Gabriel Gomila han sido galardonados con la distinción «ICREA Academia» que otorga la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA). Tanto Engel … Read more

Introduction to the vacant position: The Nanobioelec Group/Unit is looking for Research Assistant. The contract will be within the framework of the European Project PRINGLE, whose objective is to develop … Read more

Research Assistant at the Nanoscale bioelectrical characterization group

Introduction to the vacant position: The Nanobioelec Group/Unit is looking for Research Assistant. The contract will be within the framework of the European Project PRINGLE, whose objective is to develop … Read more

Un estudio publicado en Nature Communications determina el elemento clave en el transporte de electricidad en las llamadas bacterias-cable, abriendo las puertas a entender los secretos de seres capaces de transformar energía química en eléctrica, con gran importancia para el ecosistema marino y potencial para nuevas aplicaciones en bioelectrónica.

Descubren la causa de las extraordinarias propiedades eléctricas de las bacterias-cable

Un estudio publicado en Nature Communications determina el elemento clave en el transporte de electricidad en las llamadas bacterias-cable, abriendo las puertas a entender los secretos de seres capaces de transformar energía química en eléctrica, con gran importancia para el ecosistema marino y potencial para nuevas aplicaciones en bioelectrónica.

Investigadores del IBEC han conseguido reducir drásticamente el tiempo de procesamiento de imágenes de microscopía utilizando herramientas de aprendizaje automático. Con esta nueva técnica han obtenido, en tan solo algunos segundos, un mapa de la composición bioquímica de las células.

El aprendizaje automático aplicado a la microscopía acelera el procesamiento de imágenes

Investigadores del IBEC han conseguido reducir drásticamente el tiempo de procesamiento de imágenes de microscopía utilizando herramientas de aprendizaje automático. Con esta nueva técnica han obtenido, en tan solo algunos segundos, un mapa de la composición bioquímica de las células.

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