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Curvana: an R package and Shiny Web app for analyzing AFM force curves

El artículo presenta Curvana, un paquete de R de código abierto y una aplicación web en Shiny diseñado para automatizar y agilizar el análisis de extremo a extremo de las curvas de fuerza-distancia de la Microscopía de Fuerza Atómica (AFM), ofreciendo una solución intuitiva para convertir datos brutos en métricas de interacción significativas sin requerir conocimientos de programación o instalaciones locales complejas.

Autores originales: Yue Zhang, Zhaoyang Wang, Xitong Liu

Publicado 2026-06-29

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CC BY 4.0

Autores originales: Yue Zhang, Zhaoyang Wang, Xitong Liu

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ⚕️ Esta es una explicación generada por IA de un preprint que no ha sido revisado por pares. No es consejo médico. No tome decisiones de salud basándose en este contenido. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que eres un detective tratando de entender cómo dos cosas diminutas, como una proteína y una pared celular, se pegan o se empujan entre sí. Para hacer esto, los científicos usan una herramienta supersensible llamada Microscopio de Fuerza Atómica (AFM). Piensa en el microscopio como un dedo diminuto y de alta tecnología que toca y sondea estos objetos microscópicos. A medida que se mueve, dibuja una línea ondulante en un gráfico llamado "curva de fuerza".

El Problema: Una Montaña de Garabatos Desordenados
El problema es que estas líneas ondulantes son difíciles de leer. Son datos brutos llenos de ruido estático, como una estación de radio con mala recepción. Para obtener la historia real, los científicos tienen que traducir estas líneas en una historia clara sobre "qué tan fuerte se pegan" y "qué tan lejos están".

Anteriormente, hacer esto era un dolor de cabeza:

La Barrera del "Código": Algunas herramientas requerían que fueras un programador de computadoras para hacerlas funcionar.
El Dolor de Cabeza de la "Instalación": Otras herramientas tenían una interfaz de imagen simple, pero tenías que instalar una docena de partes de software diferentes en tu computadora, como intentar construir una casa pidiendo cada uno de los ladrillos por separado.
Piezas Faltantes: Muchas herramientas podían decir qué tan fuerte era la adherencia, pero no podían decir cuánta energía se necesitaba para separarlas o qué tan lejos se estiraban antes de romperse.
El Lento: Si tenías miles de estas líneas ondulantes (que es lo que usualmente ocurre), las herramientas antiguas las procesaban una por una, como una sola persona leyendo un libro de una biblioteca página por página.

La Solución: Curvana
Los autores, Yue Zhang, Zhaoyang Wang y Xitong Liu, construyeron una nueva herramienta llamada Curvana. Piensa en Curvana como un "traductor inteligente" y un "chef de datos" que convierte esos garabatos desordenados en una comida deliciosa y fácil de comer de hechos claros.

Así es como funciona Curvana, usando analogías simples:

1. La Aplicación Web "Sin Instalación" (La Ventana Mágica)
Curvana es especial porque no necesitas instalar nada en tu computadora. Solo puedes abrir un navegador web e ir a un sitio web (como abrir una puerta a una habitación mágica). También está disponible como un paquete de software para aquellos que prefieren cocinar con sus propios ingredientes (programadores).

2. Los Auriculares con "Cancelación de Ruido"
Primero, Curvana escucha los datos brutos. Así como los auriculares con cancelación de ruido filtran el zumbido de un avión, Curvana utiliza un filtro matemático (llamado filtro Savitzky-Golay) para suavizar el estático y el ruido térmico, dejando solo la señal clara.

3. El Paso de "Calibración"
Antes de que pueda medir algo, necesita saber qué tan sensible es su "dedo". Observa la parte del gráfico donde la sonda está tocando firmemente la superficie (la "región de contacto") y calcula una "puntuación de sensibilidad". Es como un sastre midiendo el brazo de una persona para saber exactamente cuánta tela cortar. Si los datos parecen extraños o rotos, Curvana los desecha cortésmente para que no arruinen los resultados.

4. La "Traducción" (De lo Bruto a lo Real)
Ahora, Curvana hace el trabajo pesado. Toma los números de voltaje brutos y los traduce a la física del mundo real:

Fuerza: ¿Qué tan fuerte están empujando o tirando? (Medido en nano-Newtons).
Distancia: ¿Qué tan lejos están el uno del otro? (Medido en nanómetros).
Lo hace siguiendo una receta estricta de pasos matemáticos, asegurando que el "punto cero" esté perfectamente alineado, tal como se nivela un cuadro en una pared.

5. El "Detective de la Energía"
Aquí es donde Curvana brilla en comparación con otras herramientas. No solo dice "es pegajoso". Calcula:

Energía de Adhesión: El "esfuerzo" total o la energía necesaria para separar las dos cosas. Imagina la energía necesaria para separar dos trozos de cinta adhesiva muy fuerte.
Distancia de Ruptura: Qué tanto se estiró la "cinta" antes de finalmente romperse.
Energía Repulsiva: La energía involucrada cuando se empujan el uno al otro.

6. El "Planificador de Fiestas" (Estadísticas y Visuales)
Una vez que Curvana ha analizado miles de estas curvas, no solo te entrega una hoja de cálculo de números. Organiza una fiesta para tus datos:

El Mapa (PCA): Dibuja un mapa que muestra cómo se relacionan todas tus diferentes muestras entre sí. ¿Son todas similares o hay grupos distintos?
El Mapa de Calor (Heatmap): Crea una cuadrícula colorida (como un mapa meteorológico) que muestra qué muestras están "calientes" (interacción fuerte) y cuáles están "frías" (interacción débil).
El Gráfico de Violín: Dibuja formas que parecen violines para mostrar la distribución de tus datos, e incluso añade "estrellas" para decirte si las diferencias entre grupos son estadísticamente significativas (diferencias reales, no solo por suerte).

Por qué Importa
Curina es como un traductor universal para científicos. Toma datos complejos, desordenados y abrumadores de un microscopio y los convierte en imágenes y números claros, hermosos y comprensibles. Elimina la necesidad de habilidades de programación, se ejecuta lo suficientemente rápido como para manejar miles de mediciones a la vez y encuentra detalles (como la energía y la distancia) que otras herramientas pasan por alto. Hace que la ciencia de cómo las cosas diminutas se pegan y se empujan sea accesible para todos, desde el banco de laboratorio hasta la pantalla de la computadora.

Resumen Técnico: Curvana – Un paquete de R y una aplicación web Shiny para el análisis de curvas de fuerza de AFM

Planteamiento del problema
Las curvas de fuerza-distancia de la Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) son esenciales para cuantificar las interacciones intermoleculares en sistemas biológicos y coloidales. A medida que la investigación se desplaza de las mediciones de un solo punto hacia el mapeo de gran escala de fuerza-volumen, el volumen de datos resultante exige flujos de trabajo computacionales automatizados y escalables. Sin embargo, las herramientas existentes presentan barreras significativas para su adopción:

Requisitos de programación: Herramientas como afmToolKit y fdafm requieren conocimientos de programación, lo que limita la accesibilidad para los científicos de laboratorio húmedo.
Complejidad de instalación: Las herramientas basadas en GUI (por ejemplo, PyFMLab, FC_analysis, AtomicJ) a menudo requieren una configuración e instalación de dependencias locales complejas.
Brechas funcionales: Muchas herramientas actuales no logran calcular parámetros de interacción críticos, específicamente la energía de interacción y la distancia de ruptura, que son vitales para evaluar la fuerza y los mecanismos de interacción (por ejemplo, la unión ligando-receptor o el desplegamiento de polímeros).
Escalabilidad: La mayoría de las herramientas actuales son de un solo hilo, lo que hace que el procesamiento de miles de curvas sea lento.

Metodología
Los autores desarrollaron Curvana, una solución de software basada en R de código abierto diseñada para el análisis de punta a punta de la fuerza-distancia de AFM. Está disponible tanto como un paquete de R como una aplicación web Shiny (accesible en línea o localmente). El flujo de trabajo consta de cuatro etapas primarias:

Importación de datos: Curvana admite la importación por lotes de archivos de texto sin procesar que contienen la deflexión del voladizo (cantilever) y el desplazamiento del piezoeléctrico. Maneja nativamente formatos de software Bruker (NanoScope, Veeco) y JPK (NanoWizard), así como archivos genéricos delimitados por tabulaciones o comas. Se pueden importar archivos de metadatos para asignar parámetros específicos de grupo.
Transformación automatizada de curvas: El software implementa el algoritmo de Ducker et al. (1992) para convertir las curvas de deflexión-piezo sin procesar en curvas de fuerza de interacción-distancia de separación.
- Preprocesamiento: Se aplica un filtrado opcional de Savitzky-Golay para reducir el ruido térmico y del instrumento.
- Cálculo de sensibilidad: La sensibilidad de la sonda ( $S$ ) se determina identificando la región de contacto lineal de la curva y calculando la pendiente negativa ($S = -dD/dZ$).
- Corrección de la línea base: Se calcula un desfase de deflexión ( $D_{off}$ ) a partir de la región de la línea base libre de interacción y se resta.
- Conversión de fuerza y distancia: La deflexión corregida se convierte en desplazamiento físico y luego en fuerza ( $F = k \cdot \delta$ ). La posición de separación cero ( $Z_0$ ) se determina extrapolando la región de contacto hacia la fuerza cero. La distancia de separación ( $d$ ) se calcula sumando la deformación del voladizo al desplazamiento del piezoeléctrico desplazado.
- Control de calidad: Las curvas con regiones de contacto no lineales o líneas base ondulantes se excluyen automáticamente.
Cálculo de métricas analíticas: Para mitigar el ruido, se establece una banda de ruido definida por el usuario. Dentro de este marco, Curvana calcula:
- Fuerza adhesiva: El valor de fuerza más negativo.
- Energía adhesiva: El área bajo el umbral de ruido negativo (Cuadrante IV), que representa la energía para romper la adhesión.
- Energía repulsiva: El área por encima del umbral de ruido positivo (Cuadrante I).
- Distancias: Distancia de ruptura (último retorno a la banda de ruido desde la adhesión) y distancia repulsiva (primera entrada a la banda de ruido desde la repulsión).
Análisis estadístico y visualización: La herramienta proporciona análisis posteriores incluyendo biplots de Análisis de Componentes Principales (PCA), mapas de calor de características estandarizadas (z-scored) y diagramas de violín. Soporta pruebas globales (ANOVA, Kruskal-Wallis) y pruebas de pares (prueba t de Student, suma de rangos de Wilcoxon).

Contribuciones clave

Accesibilidad: Curvana ofrece una interfaz Shiny accesible mediante el navegador y sin necesidad de instalación, eliminando la necesidad de programación o de una configuración de entorno local compleja.
Funcionalidad integral: A diferencia de sus predecesores, integra el flujo de trabajo completo, desde la transformación de datos brutos hasta las pruebas estadísticas y la generación de figuras listas para publicación.
Cálculo de parámetros críticos: Calcula explícitamente la energía de interacción y la distancia de ruptura, parámetros que suelen faltar en otros softwares.
Escalabilidad: El software admite el procesamiento paralelo de múltiples hilos, reduciendo significamente el tiempo requerido para analizar grandes conjuntos de datos de fuerza-volumen.

Resultados y afirmaciones
El artículo presenta a Curvana como una solución que aborda las limitaciones de las herramientas actuales de análisis de AFM. Los autores demuestran que el software logra con éxito:

Transformar los datos de deflexión-piezo sin procesar en curvas estandarizadas de fuerza-separación.
Extraer automáticamente métricas clave (fuerza, energía, distancia) con filtrado de ruido.
Generar visualizaciones estadísticas estándar (PCA, mapas de calor, diagramas de violín) con anotaciones de significancia.
Facilitar el análisis para usuarios sin experiencia en programación, manteniendo la flexibilidad para usuarios de R a través de la versión del paquete.

Significancia
Los autores afirman que Curvana reduce la barrera técnica para el análisis de datos de fuerza-distancia de AFM. Al proporcionar una herramienta de fácil acceso con una interfaz gráfica de usuario (GUI), soporte para computación paralela y un cálculo exhaustivo de métricas, permite flujos de trabajo escalables y reproducibles para investigadores que estudian interacciones biogeoquímicas y fisicoquímicas. La herramienta está posicionada para apoyar la transición del análisis manual de curvas individuales hacia el procesamiento por lotes de alto rendimiento de los datos de AFM.

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