Tesis Doctorals en Xarxa
Not a member yet
46997 research outputs found
Sort by
Heterostructures based on graphene oxide doped with heteroatoms: applications in optoelectronic devices and gas sensors.
Get PDFAquesta tesi investiga el disseny i desenvolupament de sensors de gas i fotodetectors UV avançats basats en òxid de grafè (GO) funcionalitzat, contribuint als camps de la ciència de materials, la nanotecnologia i l’enginyeria de sensors. La recerca respon a la necessitat de dispositius de detecció d’alt rendiment i baix cost, assolits mitjançant la modificació superficial dels transductors amb materials nanoestructurats. Es van escollir materials basats en grafè, especialment GO sintetitzat mitjançant un mètode de Hummers modificat, per les seves excel·lents propietats elèctriques i de superfície, així com per la seva escalabilitat.
Per millorar la capacitat de detecció del GO, es va dur a terme el dopatge amb heteroàtoms de nitrogen (N), bor (B) i dopatge combinat (N+B) utilitzant un procés químic assistit per sonificació. A més, es va aplicar la hibridació amb nanopartícules d’òxid de níquel (NiO) per millorar encara més el rendiment dels sensors. Aquests materials es van integrar en sensors de gas fabricats sobre substrats d’alúmina amb elèctrodes de platí, i en fotodetectors UV sobre substrats de vidre amb contactes d’InGa o Au/Cu, mitjançant tècniques com l’aeropolvorització i el recobriment per spin coating.
Els resultats experimentals mostren que el GO reduït dopat amb nitrogen (N-rGO) va presentar la màxima sensibilitat al NO₂, mentre que els híbrids NiO/N-rGO van mostrar una millora de cinc vegades en la resposta de detecció. Els fotodetectors basats en GO/NiO van mostrar comportaments elèctrics únics, com la fotoconductivitat negativa o commutable per biaix, segons el tipus de dopatge, funcionant eficientment amb baix voltatge i baixa intensitat de llum, ideals per a aplicacions de baix consum.
Aquest estudi interdisciplinari ha afrontat reptes en síntesi, caracterització de materials i fabricació de dispositius. Els resultats reflecteixen avenços importants en la funcionalització del GO i les capacitats experimentals del candidat. En conjunt, la tesi suposa una contribució rellevant al desenvolupament de sensors de gas i dispositius optoelectrònics basats en grafè.Esta tesis aborda el diseño y desarrollo de sensores de gas avanzados y fotodetectores UV basados en óxido de grafeno (GO) funcionalizado, contribuyendo a los campos de la ciencia de materiales, la nanotecnología y la ingeniería de sensores. La investigación parte de la necesidad de dispositivos de detección de alto rendimiento y bajo coste, desarrollados mediante la modificación superficial de transductores con materiales nanoestructurados. Se eligieron materiales basados en grafeno, especialmente el GO sintetizado mediante un método de Hummers modificado, por sus excelentes propiedades eléctricas y superficiales, así como por la escalabilidad de su síntesis.
Para mejorar las capacidades de detección del GO, se realizó el dopado con heteroátomos de nitrógeno (N), boro (B) y dopado conjunto (N+B), mediante un proceso químico asistido por sonicación. Además, se empleó la hibridación con nanopartículas de óxido de níquel (NiO) para optimizar aún más el rendimiento de los sensores. Estos materiales se integraron en sensores de gas sobre sustratos de alúmina con electrodos de platino, y en fotodetectores UV sobre sustratos de vidrio con contactos de InGa o Au/Cu, utilizando técnicas como la pulverización neumática y el spin coating.
Los resultados experimentales muestran que el GO reducido dopado con nitrógeno (N-rGO) presentó la mayor sensibilidad al NO₂, mientras que los híbridos NiO/N-rGO lograron una mejora cinco veces superior en la respuesta de detección. En cuanto a los fotodetectores UV, los dispositivos GO/NiO mostraron comportamientos eléctricos únicos como fotoconductancia negativa o conmutables por polarización según el tipo de dopado, funcionando eficientemente a bajo voltaje e intensidad lumínica, lo que los hace ideales para aplicaciones de bajo consumo.
Este estudio interdisciplinar abarca desafíos en síntesis, caracterización de materiales y fabricación de dispositivos. Los resultados obtenidos destacan tanto los avances en la funcionalización del GO como las capacidades experimentales del candidato. En conjunto, esta tesis representa una contribución significativa al desarrollo de sensores de gas y dispositivos optoelectrónicos basados en grafeno.This thesis explores the design and development of advanced gas sensors and UV photodetectors based on functionalized graphene oxide (GO), contributing to the fields of materials science, nanotechnology, and sensor engineering. The research is motivated by the need for high-performance, low-cost sensing devices, achieved through the surface modification of transducers using nanostructured materials. Graphene-based materials, particularly GO synthesized via a modified Hummers' method, were chosen due to their outstanding electrical and surface properties and the scalability of their synthesis.
To enhance the sensing capabilities of GO, heteroatom doping with nitrogen (N), boron (B), and co-doping (N+B) was performed using a sonication-assisted chemical process. Additionally, hybridization with nickel oxide (NiO) nanoparticles was employed to further improve sensor performance. These materials were integrated into gas sensors fabricated on alumina substrates with platinum electrodes, and UV photodetectors constructed on glass substrates with InGa or Au/Cu contacts, using techniques such as airbrushing and spin coating.
Experimental findings reveal that N-doped reduced GO (N-rGO) exhibited the highest sensitivity to NO₂, while NiO/N-rGO hybrids demonstrated a fivefold enhancement in gas sensing response. For UV photodetection, GO/NiO-based devices displayed unique electrical behaviors bias-switchable or negative photoconductancedepending on the doping type, operating efficiently under low bias and illumination, making them ideal for low-power applications.
This interdisciplinary study involved challenges in synthesis, material characterization, and device fabrication. The results not only demonstrate significant advancements in the functionalization of GO for sensing applications but also highlight the candidate’s strong experimental capabilities, scientific rigor, and originality. Overall, this thesis makes a substantial contribution to the advancement of graphene-based gas sensors and optoelectronic devices."Universitat Rovira i Virgili. Programa de doctorat en Tecnologies per a Nanosistemes, Bioenginyeria i Energia
Bioinformatics characterization on the conformational transitions of intrinsically disordered proteins: functional and biomedical implications
Get PDFDurant molt anys, la investigació en el camp de les proteïnes ha estat marcada per la noció bàsica que les funcions biològiques d’aquestes biomolècules venen determinades per la seva estructura tridimensional. No obstant això, existeixen proteïnes intrínsecament desordenades (IDPs per la sigla en anglès) que no tenen una estructura ben definida i tot i així són funcionals. Aquest fet qüestiona el vell paradigma i ha promogut l’estudi d’aquestes proteïnes tan particulars. A dia d’avui s’han descobert IDPs en organismes de tots els regnes i que juguen un paper fonamental en diversos processos biològics. Malauradament, les IDPs són més conegudes per la seva associació amb malalties neurodegeneratives cada vegada més prevalents com l’Alzheimer o el Parkinson, on aquestes proteïnes s’autoensamblen en estructures tòxiques conegudes com fibres amiloides. La comunitat científica es centra en caracteritzar i entendre com les IDPs aconsegueixen ser funcionals i com la seva desregulació dona lloc a diferents patologies, amb especial atenció a la investigació dels factors que produeixen aquests canvis conformacionals.
En els últims anys, la bioinformàtica ha demostrat el seu potencial per resoldre problemes biològics complexos i s’ha posicionat com un camp fonamental en la investigació de proteïnes. El desenvolupament d’eines bioinformàtiques ha estat essencial per anticipar processos d’agregació i desordre de proteïnes en condicions fisiològiques. No obstant això, condicions cel·lulars com el pH o interaccions amb altres biomolècules són factors influents que no s’han tingut en compte en el desenvolupament de les eines actuals. En aquesta tesi volem solucionar aquesta limitació caracteritzant l’efecte del context cel·lular en les transicions conformacionals de les IDPs i transferir aquest coneixement per a aplicacions biomèdiques.
En primer lloc, vam desenvolupar DispHscan, un servidor web per predir el desordre de múltiples proteïnes en funció del pH. Amb aquesta eina vàrem comparar transicions depenent de pH en diversos organismes model i vam analitzar la seva influencia en separació de fase. Després ens vam centrar en la caracterització de regions amiloidogèniques críptiques (CARs per la sigla en anglès), que tenen la capacitat de transicionar des d’un estat desordenat a un estat amiloide quan s’estudien independentment. Vàrem desenvolupar la CARs-DB, una base de dades que recull milers de CARs predits sobre IDPs curades manualment i vam explorar les seves associacions funcionals en dominis tipus prió. Finalment prediem un conjunt de pèptids amb potencial terapèutic per a inhibit l’assemblatge anòmal de la α-sinucleïna, una IDP la agregació de la qual és la característica neurològica principal de la malaltia de Parkinson.Durante muchos años, la investigación en el campo de las proteínas ha estado guiada por la noción básica de que las funciones biológicas de estas biomoléculas vienen determinadas por su estructura tridimensional. Sin embargo, existen proteínas intrínsecamente desordenas (IDPs por las siglas en inglés) que carecen de una estructura bien definida y aún así son funcionales. Este hecho cuestiona el antiguo paradigma y ha motivado el estudio de estas proteínas tan particulares. A día de hoy se han descubierto IDPs en organismos de todos los reinos que juegan un papel fundamental en diferentes procesos biológicos. Desafortunadamente, las IDPs son más conocidas por su relación con enfermedades neurodegenerativas cada vez más prevalentes como el Alzheimer o el Parkinson, donde estas proteínas se autoensamblan en estructuras tóxicas llamadas fibras amiloides. La comunidad científica se centra en caracterizar y entender cómo las IDPs consiguen ser funcionales y cómo su desregulación desencadena diferentes patologías, con particular atención en investigar los factores que rigen estos cambios conformacionales.
En los últimos años, la bioinformática ha demostrado su potencial para resolver problemas biológicos complejos y se ha posicionado como un campo fundamental en la investigación de proteínas. El desarrollo de herramientas bioinformáticas ha sido esencial para anticipar procesos de agregación y desorden proteicos en condiciones fisiológicas. Sin embargo, condiciones celulares como el pH o interacciones con otras biomoléculas son factores influyentes que no se han tenido en cuenta en el desarrollo de las herramientas actuales. En esta tesis queremos solucionar esta limitación caracterizando el efecto del contexto celular en las transiciones conformacionales de las IDPs y transferir este conocimiento para aplicaciones biomédicas.
En primera instancia desarrollamos DispHScan, un servidor web para predecir el desorden de múltiples proteínas en función del pH. Con esta herramienta comparamos transiciones dependientes de pH en varios organismos modelo y analizamos su influencia en procesos celulares dinámicos como la separación de fase. Después nos centramos en la caracterización de regiones amiloidogénicas crípticas (CARs por las siglas en inglés), capaces de transicionar desde un estado desordenado a un estado amiloide cuando se estudian independientemente. Desarrollamos CARs-DB, una base de datos que recoge miles de CARs predichos sobre IDPs y exploramos sus asociaciones funcionales en dominios tipo prión. Finalmente predecimos un conjunto de péptidos con potencial terapéutico para inhibir el ensamblaje anómalo de la α-sinucleína, una IDP cuya agregación es la característica neurológica principal de la enfermedad de Parkinson.For many years, proteins’ research field was guided by the notion that the biological function of these biomolecules is determined by their unique three-dimensional conformations. However, mounting evidence on functional intrinsically disordered proteins (IDPs) without well-defined structures challenged the old structure-function paradigm and fueled the study of these intriguing proteins. Today IDPs have been reported in all kingdoms of life playing different roles in diverse biological processes. Unfortunately, IDPs are also involved in prevalent neurodegenerative diseases like Alzheimer’s or Parkinson’s Disease, where these proteins aggregate towards toxic higher-ordered structures called amyloid fibrils. Given the relevance of IDPs in both health and disease, many efforts are addressed to characterize and understand how IDPs achieve their functions and how their deregulation lead to pathology, with a particular focus on the factors governing IDPs’ conformational transitions.
In the last years, bioinformatics has demonstrated its potential in solving complex biological problems and has positioned itself as a fundamental field in today’s protein research. The development of bioinformatics tools has been instrumental to anticipate protein aggregation and protein disorder in physiological conditions. However, IDPs are highly susceptible to environmental conditions such as pH or partner interactions that have been traditionally disregarded by state-of-the art tools. In this thesis, we aim to amend this limitation by characterizing the effect of the cellular context in the conformational transitions of IDPs and apply this knowledge for biomedical applications.
First, we developed DispHScan, a web server to predict protein disorder as a function of pH for multiple sequences. With this tool we compared pH-dependent transitions across different model organisms and analyzed their influence in dynamic cellular processes such as liquid-liquid phase separation. Then, we focused on the characterization of cryptic amyloidogenic regions (CARs) that are able to transition from a disordered to an amyloid state in isolation. We released CARs-DB, a database that collects thousands of CARs predicted from manually-curated IDPs and explored their functional roles in prion-like domains. Finally, we predicted and released a set of peptides with therapeutic potential to inhibit the abnormal assembly of α-synuclein, an IPD whose aggregation is the main neurological hallmark of Parkinson’s Disease.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Bioinformàtic
Impulsividad, desregulación emocional y conductas adictivas en jóvenes adultos
Get PDF[spa] Durante la adultez temprana, los jóvenes atraviesan numerosos cambios psicológicos, socioeconómicos y laborales. Este periodo se considera una etapa de especial vulnerabilidad para la emergencia de múltiples trastornos, entre ellos, las conductas adictivas. Además, es en esta etapa cuando la carencia de estrategias de regulación emocional queda de manifiesto y puede influir en su salud mental.
Uno de los problemas más destacados en esta franja de edad, que comprende entre los 18-29 años, es el uso de sustancias y otras conductas adictivas sin sustancia (alcohol, tabaco, cannabis, juego de apuestas, videojuegos…). En España, un porcentaje elevado de jóvenes adultos participa en una o más de una conducta con potencial adictivo. Además, los problemas relacionados con el uso de drogas han aumentado tras la pandemia de la COVID-19, posiblemente influenciado por los cambios contextuales y el aumento de psicopatologías que también se han dado en esa población.
Ante esta situación, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral fue examinar factores de riesgo individuales asociados a conductas adictivas en adultos jóvenes españoles. Específicamente, se evaluaron las variables de desregulación emocional, impulsividad, ansiedad, depresión y estrés. Por otra parte, los objetivos específicos de la tesis fueron: i) llevar a cabo una revisión y meta-análisis sobre la relación entre la desregulación emocional y las conductas adictivas; ii) validar la escala de desregulación emocional (DERS-28; Hervás y Jodar, 2008) en jóvenes adultos que consumen sustancias; iii) examinar la relación entre el consumo de cannabis y las estrategias de desregulación emocional, y iv) examinar cambios en los patrones de consumo y adicción al cannabis y su relación con la impulsividad en una muestra de jóvenes adultos.
Para ello se elaboró una batería de instrumentos digitalizada en formato App e instalable en los dispositivos con sistema Android y Apple. La misma fue administrada a 2,762 estudiantes de tres universidades españolas (UNIOVI, UNIZAR y UIB), en tres momentos diferentes a lo largo de un año durante los años 2021 y 2022. A partir de esta base de datos se generaron cuatro artículos científicos: tres derivados directamente de la muestra y un metaanálisis que incluyó un total de 189 (Nparticipantes = 78,733) estudios empíricos. Este último reveló que la falta de control de impulsos y las dificultades de acceso a estrategias de regulación emocional se relacionaban prácticamente con todas las conductas adictivas evaluadas, especialmente en lo que respecta a la gravedad y consecuencias derivadas del uso de alcohol y el juego de apuestas. El segundo artículo de la Tesis Doctoral consistió en una validación de la escala DERS-28 y permitió concluir su fiabilidad, invarianza y validez en una muestra de 1,676 consumidores habituales (en el último mes) de sustancias. En el tercer artículo de la Tesis, con un diseño transversal, se examinó el efecto mediador de la desregulación emocional sobre el consumo de cannabis y su relación con la salud mental de 2,762 estudiantes y se encontró que dicha relación era significativa en el caso de las mujeres. Finalmente, se llevó a cabo un estudio longitudinal en 2,762 estudiantes para valorar cambios en el patrón de consumo y adicción al cannabis a lo largo de un año y los resultados mostraron que la prevalencia del consumo de cannabis en el último mes fue del 11,5% en la primera evaluación (T1), del 3,5% en la T2 (tras 6 meses) y del 9,1% en la T3 (al año del seguimiento). Los resultados sugirieron que los participantes con síntomas elevados de depresión, ansiedad y estrés en la T2 tendían a presentar un deterioro estable en la T3. El aumento de la gravedad de la sintomatología emocional se relacionó de forma indirecta con un mayor riesgo de consumo de cannabis y esta relación estaba moderada por los rasgos de impulsividad.[cat] Durant els primers anys de l’edat adulta, els joves pateixen nombrosos canvis psicològics, socioeconòmics i laborals. Aquest període es considera una etapa d’especial vulnerabilitat per a l’emergència de múltiples trastorns, entre els quals hi ha les conductes addictives. A més, és en aquesta etapa quan la manca d’estratègies de regulació emocional es fa palesa i pot influir en la salut mental.
Un dels problemes més destacats en aquesta franja d’edat, que comprèn entre els 18-29 anys, és l’ús de substàncies i altres conductes addictives sense substància (alcohol, tabac, cànnabis, joc d’apostes, videojocs…). A Espanya, un percentatge elevat de joves adults participa en una o més conductes amb potencial addictiu. Una xifra que ha augmentat després de la pandèmia de la COVID-19, possiblement influenciada també pels canvis contextuals i l’augment de psicopatologies que també s’han donat en aquesta població.
Davant d’aquesta situació, l’objectiu principal d’aquesta tesi doctoral va ser examinar factors de risc individuals associats a conductes addictives a joves adults espanyols. Específicament, es van avaluar les variables de desregulació emocional, impulsivitat, ansietat, depressió i estrès. D’altra banda, els objectius específics de la tesi van ser: (i) dur a terme una revisió i meta-anàlisi sobre la relació entre la desregulació emocional i les conductes addictives; (ii) validar l’escala de desregulació emocional (DERS-28; Hervás i Jodar, 2008) a joves adults que consumeixen substàncies; (iii) examinar la relació entre el consum de cànnabis i les estratègies de desregulació emocional, i iv) examinar canvis en els patrons de consum i addicció al cànnabis i la seva relació amb la impulsivitat en una mostra de joves adults.
Per això, es va elaborar una bateria d’instruments digitalitzada en format App i instal·lable en els dispositius amb sistema Android i Apple. La mateixa va ser administrada a 2,762 estudiants de tres universitats espanyoles (UNIOVI, UNIZAR i UIB), en tres moments diferents al llarg d’un any durant els anys 2021 i 2022. A partir d’aquesta base de dades es van generar quatre articles científics: tres derivats directament de la mostra i un meta-anàlisi que va incloure un total de 189 (Nparticipants = 78,733) estudis empírics. Aquest darrer va revelar que la manxa de control d’impulsos i les dificultats d’accés a estratègies de regulació emocional es relacionaven pràcticament amb totes les conductes addictives avaluades, especialment pel què fa a la gravetat i conseqüències derivades de l’ús d’alcohol i el joc d’apostes. El segon article de la Tesi doctoral va consistir en una validació de l’escala DERS-28 i va permetre concloure la seva fiabilitat i validesa a una mostra de 1,676 consumidors habituals (en el darrer mes) de substàncies. En el tercer article de la Tesi, amb un disseny transversal, es va examinar l’efecte mediador de la desregulació emocional sobre el consum de cànnabis i la seva relació amb la salut mental de 2,762 estudiants i es va trobar que l’esmentada relació era significativa en el cas de les dones. Finalment, es va dur a terme un estudi longitudinal amb 2,762 estudiants per a valorar canvis en el patró de consum i addicció al cànnabis al llarg d’un any i els resultats van mostrar que la prevalença del consum de cànnabis en el darrer més va ser de l’11,5% a la primera avaluació (T1), del 3,5% a la T2 (després de 6 mesos), i del 9,1% a la T3 (passat un any). Els resultats van suggerir que els participants amb símptomes elevats de depressió, ansietat i estrès a la T2 tindrien tendència a mostrar un deteriorament estable a la T3. L’augment de la gravetat de la simptomatologia emocional es va relacionar de manera indirecta amb un major risc de consum de cànnabis i aquesta relació estava moderada pels trets d’impulsivitat.[eng] During early adulthood, young people experience numerous psychological, socioeconomic, and occupational changes. This period is considered particularly vulnerable to the emergence of various disorders, including addictive behaviors. Additionally, it is during this stage that deficits in emotional regulation strategies become evident and may influence mental health.
One of the most significant issues within this age group, ranging from 18 to 29 years old, is substance use and other addictive behaviors without substances (alcohol, tobacco, cannabis, gambling, video games, etc.). In Spain, a high percentage of young adults engage in one or more potentially addictive behaviors. This number has increased following the COVID-19 pandemic, likely influenced by contextual changes and an increase in psychopathologies also observed in this population.
Given this context, the primary aim of this doctoral thesis was to examine individual risk factors associated with addictive behaviors among young Spanish adults. Specifically, the study evaluated variables related to emotional dysregulation, impulsivity, anxiety, depression, and stress. The specific objectives of the thesis were: i) to conduct a review and meta-analysis of the relationship between emotional dysregulation and addictive behaviors; ii) to validate the Emotional Dysregulation Scale (DERS-28; Hervás & Jodar, 2008) in young adults who consume substances; iii) to examine the relationship between cannabis use and emotional dysregulation strategies; and iv) to examine changes in cannabis use patterns and addiction and their relationship with impulsivity in a sample of young adults.
To achieve these objectives, a digitalized battery of assessment instruments was developed in an app format, installable on devices with Android and Apple operating systems. This assessment was administered to 2,762 students from three Spanish universities (UNIOVI, UNIZAR, and UIB) at three different times throughout one year during 2021 and 2022. From this database, four scientific articles were generated: three derived directly from the sample and one meta-analysis including a total of 189 empirical studies (Nparticipants = 78,733). The meta-analysis revealed that impulse control deficits and difficulties accessing emotional regulation strategies were related to practically all evaluated addictive behaviors, especially regarding the severity and consequences associated with alcohol use and gambling. The second article of the PhD thesis consisted of the validation of the DERS-28 scale and concluded its reliability, invariance, and validity in a sample of 1,676 habitual substance users (within the last month). The third thesis article, employing a cross-sectional design, examined the mediating effect of emotional dysregulation on cannabis use and its relation to the mental health of 2,762 students, finding that this relationship was significant for women. Lastly, a longitudinal study involving 2,762 students evaluated changes in cannabis use patterns and addiction over one year. Results indicated that the prevalence of cannabis use in the last month was 11.5% at the first assessment (T1), 3.5% at T2 (after 6 months), and 9.1% at T3 (after 1 year). The findings suggested that participants with elevated symptoms of depression, anxiety, and stress at T2 tended to show stable deterioration at T3. Increased severity of emotional symptoms was indirectly associated with a higher risk of cannabis use, and this relationship was moderated by impulsivity traits.Doctorat en Psicologi
Metallopeptides and metalloproteins in biocatalysis: computational insights for rational design
Get PDFAquesta tesi explora la relació entre l'estructura biomolecular i la funció catalítica en el context de la biocatàlisi mediada per metalls, combinant modelatge computacional multiescala amb validació experimental. L’objectiu general és desenvolupar eines predictives i coneixements mecanístics que donin suport al disseny racional tant de metal·lopèptids artificials com de metalloenzims naturals. La integració sinèrgica del modelatge teòric amb l’experimentació permet una iteració eficient en el desenvolupament i perfeccionament de metodologies de disseny.
S’aborden dues línies de recerca complementàries: el disseny de novo de metal·lopèptids bioortogonals capaços de catalitzar reaccions abiòtiques en entorns biològics, i l’estudi mecanístic en profunditat d’enzims que contenen hemo i que duen a terme transformacions oxidatives naturals. En concret, es van dissenyar amb èxit dos esquelets peptídics basats en estructures de làmines β per coordinar complexos metàl·lics i catalitzar reaccions bioortogonals de despropargilació tan in vitro com in cellulo. La importància de la dinàmica conformacional en la funció enzimàtica es destaca mitjançant estudis detallats que aborden l’especificitat del substrat, l’alliberament del producte i la regeneració del cicle catalític.
Aquestes estratègies de disseny racional també s’estenen a sistemes biomoleculars complexos, incloent-hi conjunts ADN–metal·lopèptid, contribuint al desenvolupament de marcs computacionals efectius per al modelatge d’interaccions metàl·liques. En conjunt, aquest treball fa avançar el camp del disseny computacional de biocatalitzadors i demostra el potencial dels enfocaments multiescala per afrontar reptes fonamentals en la metal·lobioquímica.Esta tesis explora la relación entre la estructura biomolecular y la función catalítica en el contexto de la biocatálisis mediada por metales, combinando el modelado computacional multiescala con la validación experimental. El objetivo general es desarrollar herramientas predictivas y profundizar en conocimientos mecanísticos que respalden el diseño racional tanto de metalopéptidos artificiales como de metaloenzimas naturales. La integración de los modelos teórico con la experimentación permite una iteración eficiente en el desarrollo y perfeccionamiento de metodologías de diseño.
Se abordan dos líneas de investigación principales: el diseño de novo de metalopéptidos bioortogonales capaces de catalizar reacciones en entornos biológicos, y el estudio mecanístico de enzimas dependientes del grupo hemo y que llevan a cabo transformaciones oxidativas naturales. En concreto, se diseñaron con éxito dos estructuras peptídicas basadas en láminas β para coordinar complejos metálicos y catalizar reacciones bioortogonales de depropargilación tanto in vitro como in cellulo. Se profundiza en la importancia de la dinámica conformacional en la función enzimática mediante estudios detallados sobre la especificidad del sustrato, la liberación del producto y la regeneración del ciclo catalítico.
Estas estrategias de diseño racional se extienden además a sistemas biomoleculares complejos, incluidos los ensamblajes ADN–metalopéptido, contribuyendo al desarrollo de marcos computacionales eficaces para el modelado de interacciones metálicas. En conjunto, este trabajo impulsa el campo del diseño computacional de biocatalizadores y demuestra el potencial de los enfoques multiescala para abordar desafíos fundamentales en la metalobioquímica.This thesis explores the relationship between biomolecular structure and catalytic function in the context of metal-mediated biocatalysis, combining multi-scale computational modelling with experimental validation. The overarching goal is to develop predictive tools and mechanistic insights that support the rational design of both artificial metallopeptides and natural metalloenzymes. A synergistic integration of theoretical modelling and experimental testing enables efficient iteration in the development and refinement of design methodologies.
Two complementary research directions are pursued: the de novo design of bioorthogonal metallopeptides capable of catalyzing abiotic reactions in biological environments, and the in-depth mechanistic investigation of heme-containing enzymes that mediate natural oxidative transformations. Specifically, two β-sheet-based peptide scaffolds were successfully designed to coordinate metal complexes and catalyze bioorthogonal depropargylation reactions both in vitro and in cellulo. The importance of conformational dynamics in enzymatic function is highlighted by detailed studies addressing substrate specificity, product release, and catalytic cycle regeneration.
These rational design approaches are further extended to complex biomolecular systems, including DNA–metallopeptide assemblies, contributing to the development of computational frameworks for effective metal interaction modelling. Overall, this work advances the field of computational biocatalyst design and demonstrates the potential of multiscale strategies to address fundamental challenges in metallobiochemistry.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Químic
Phenotyping airways diseases in bronchiectasis: the ABCS protocol (asthma - bronchiectasis - COPD - chronic rhinosinusitis)
Get PDFLes bronquiectàsies (BQ) són una malaltia respiratòria crònica caracteritzada per dilatacions bronquials permanents, tos, expectoració i infeccions recurrents. Presenten una gran heterogeneïtat clínica i poden associar-se a altres malalties de la via aèria com l’asma, la MPOC i la rinosinusitis crònica (RSC). La seva identificació és complicada per la coincidència de símptomes i l’absència de criteris diagnòstics homogenis.
En aquest estudi es van incloure 77 pacients amb BQ sense diagnòstic previ d'altres malalties de la via aèria. Es va realitzar una avaluació clínica exhaustiva amb proves de funció pulmonar, biomarcadors inflamatoris, estudis radiològics i microbiològics, a més de qüestionaris de qualitat de vida i escales específiques (CAT, ACT, SGRQ, SNOT-22). L’objectiu era identificar perfils clínics i possibles marcadors diagnòstics de comorbiditats.
Els pacients eren majoritàriament dones (79.2%), amb una edat mitjana de 58 anys. La tos i l’expectoració eren símptomes freqüents, i més del 60% va referir sibilàncies. El 43% presentava infecció bronquial crònica, sobretot per Pseudomonas aeruginosa. Des del punt de vista funcional, un terç mostrava patrons obstructius o restrictius, i només un 20% tenia funció pulmonar normal. El 15.6% presentava eosinofília perifèrica, associada a menor infecció crònica per P. aeruginosa.
Els qüestionaris mostraren correlació interna, però poca relació amb variables clíniques, la qual cosa limita la seva aplicabilitat. Respecte a -comorbiditats:
- Asma: el 46.8% presentava símptomes compatibles, però només el 5.2% complia criteris diagnòstics complets. Un 26% es va classificar com a sospita d’asma.
- MPOC: diagnosticada en el 9.1% aplicant criteris ROSE, principalment per alteracions funcionals.
- RSC: identificada en el 31.5%, amb obstrucció nasal i congestió predominants; els pacients afectats mostraren pitjor qualitat de vida i més producció d’esput.
En conclusió, les comorbiditats respiratòries són freqüents en pacients amb BQ, però el diagnòstic és complex, especialment en l’asma. Ni la clínica ni els qüestionaris són suficients; cal establir criteris objectius i utilitzar proves complementàries com la provocació bronquial. Seran necessaris estudis amb cohorts més àmplies per validar aquests resultats.Las bronquiectasias (BQ) son una enfermedad respiratoria crónica caracterizada por dilataciones bronquiales permanentes, tos, expectoración e infecciones recurrentes. Presentan gran heterogeneidad clínica y pueden asociarse a otras enfermedades de la vía aérea como asma, EPOC y rinosinusitis crónica (RSC). Sin embargo, la identificación de estas comorbilidades es difícil por la superposición de síntomas y la falta de criterios homogéneos.
Este estudio incluyó 77 pacientes con BQ sin diagnóstico previo de otras enfermedades de la via aerea. Se realizó una evaluación clínica integral con pruebas de función pulmonar, biomarcadores inflamatorios, estudios radiológicos y microbiológicos, además de cuestionarios de calidad de vida y escalas específicas (CAT, ACT, SGRQ, SNOT-22). El objetivo fue identificar fenotipos clínicos y posibles marcadores diagnósticos de comorbilidades.
Los pacientes fueron mayoritariamente mujeres (79.2%), con edad media de 58 años. La tos y expectoración fueron los síntomas más frecuentes, y el 60% reportó sibilancias. El 43% tenía infección bronquial crónica, sobre todo por Pseudomonas aeruginosa. Funcionalmente, un tercio mostró patrón obstructivo o restrictivo, y solo un 20% presentó función pulmonar normal. El 15.6% tuvo eosinofilia periférica, asociada a menor infección por P. aeruginosa.
Los cuestionarios mostraron correlación interna, pero escasa asociación con variables clínicas, lo que limita su utilidad diagnóstica. En cuanto a comorbilidades:
- Asma: 46.8% presentaba síntomas sugestivos, pero solo el 5.2% cumplió criterios diagnósticos completos. El 26% fue clasificado como sospecha de asma.
- EPOC: 9.1% cumplió criterios de BQ-EPOC, principalmente por alteraciones funcionales.
- RSC: diagnosticada en 31.5%, con predominio de obstrucción nasal y congestión; los afectados mostraron peor calidad de vida y más expectoración.
En conclusión, las comorbilidades respiratorias son frecuentes en pacientes con BQ, pero su diagnóstico es complejo, en especial el asma. La clínica y los cuestionarios no son suficientes; se requieren criterios objetivos y pruebas complementarias como provocación bronquial para mejorar la detección. Estos hallazgos deben validarse en cohortes más amplias.Bronchiectasis (BE) is a chronic respiratory disease marked by permanent bronchial dilatations, cough, sputum production, and recurrent infections. It shows significant heterogeneity and may overlap with other airway diseases such as asthma, COPD, and chronic rhinosinusitis (CRS). Identifying these comorbidities is challenging due to overlapping symptoms and lack of standardized diagnostic criteria.
This study included 77 BQ patients without prior airways comorbidities. A comprehensive assessment was performed, including clinical evaluation, full pulmonary function tests, inflammatory biomarkers, radiological and microbiological studies, and disease-specific quality of life questionnaires (CAT, ACT, SGRQ, SNOT-22). The aim was to characterize airway profiles and identify diagnostic markers of comorbidities.
Most patients were women (79.2%), with a mean age of 58. Cough and sputum production were common, and over 60% reported wheezing. Chronic bronchial infection was present in 43%, mainly with Pseudomonas aeruginosa. Functionally, about one-third showed obstructive or restrictive patterns, while only 20% had normal lung function. Peripheral eosinophilia was found in 15.6%, associated with less P. aeruginosa infection and less purulent sputum.
The questionnaires correlated with each other but had limited association with clinical or functional parameters, reducing their diagnostic usefulness. Regarding comorbidities:
- Asthma: 46.8% reported asthma-like symptoms, but only 5.2% met full diagnostic criteria; 26% were classified as suspected asthma.
- COPD: 9.1% fulfilled criteria for BQ-COPD overlap, despite no prior diagnosis.
- CRS: diagnosed in 31.5%, with predominant nasal obstruction and congestion; these patients had worse SNOT-22 scores, more sputum production, and less extensive radiological BQ.
In conclusion, respiratory comorbidities are highly prevalent in BQ, but their diagnosis remains complex, particularly for asthma. Clinical presentation and disease-specific questionnaires are insufficient; objective criteria and complementary tests such as bronchial provocation are needed. Larger cohort studies are essential to validate these findings.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Medicin
Fecal biomarkers of stress and welfare in captive lions (Panthera leo): development, validation, and insights into physiological regulation
Get PDFLes institucions zoològiques són responsables de garantir els més alts estàndards en benestar animal. En captivitat, els animals poden estar exposats a factors estressants relacionats amb l’allotjament i maneig que afectin negativament la seva salut i benestar. La mesura de glucocorticoides és una eina àmpliament utilitzada per monitoritzar l'estrès, amb l’anàlisi d’hormones en femtes com a mètode no invasiu habitual en endocrinologia de fauna salvatge. Malgrat el seu potencial, la fisiologia de l'estrès en lleons en captivitat ha estat poc estudiada, amb un enfoc principal en la reproducció més que en les respostes a les condicions ambientals i de maneig. A mesura que la ciència del benestar animal avança cap a promoure estats afectius positius, resulta fonamental investigar nous biomarcadors que permetin avaluar experiències de benestar positiu. L'oxitocina i la immunoglobulina A (IgA), vinculades als sistemes neuroendocrí i immunitari, respectivament, mostren potencial com a indicadors d'experiències positives. No obstant això, la presència d'oxitocina a les femtes encara no s’ha investigat i l’IgA en femtes no s'ha explorat en fèlids salvatges. Validar aquests biomarcadors és essencial abans d’integrar-los en avaluacions de benestar animal. Així doncs, aquesta tesi tenia per objectiu avançar en la comprensió de la fisiologia de l'estrès en lleons en captivitat (Panthera leo), amb un enfoc en el desenvolupament i validació de metodologies per quantificar oxitocina i IgA en femtes. Primer, vam examinar els nivells de metabòlits de glucocorticoides en femtes (FGM per les seves sigles en anglès) en lleons en condicions ambientals i de maneig estables. Mentre que el sexe no va tenir efecte, l'estat reproductiu sí: les lleones ovariectomitzades presentaven nivells de FGM més baixos que les femelles intactes i aquelles sota contracepció hormonal. També es van examinar condicions específiques d’allotjament i maneig, observant que els nivells de FGM variaven entre zoològics, amb la inestabilitat social i l'agressivitat relacionades amb una major activitat adrenocortical. Tanmateix, la variabilitat individual en les respostes a l'estrès remarca la importància d'un monitoratge individualitzat. La segona part d'aquesta tesi constitueix la primera investigació sobre la presència d'oxitocina en femtes en qualsevol espècie. Es va desenvolupar i validar amb èxit un protocol per a l’extracció i quantificació d’oxitocina en femtes de lleó mitjançant immunoassaig enzimàtic. Així mateix, es va validar una metodologia per extreure i quantificar IgA en femtes de lleons mitjançant immunoassaig enzimàtic. Després d’aquests avenços metodològics, es va realitzar una avaluació inicial de la rellevància biològica d'aquests biomarcadors mitjançant l'anàlisi de les seves concentracions en lleons en condicions socials i d’allotjament estables en captivitat. Els resultats van indicar que les concentracions d'IgA fecal van ser influenciades pel sexe, amb les femelles mostrant nivells més alts que els mascles, mentre que els nivells d'oxitocina fecal no es van veure afectats per factors biològics. Finalment, es va examinar la relació entre l'oxitocina i l'IgA amb el sistema d'estrès. Tot i que no es va trobar una correlació forta ni consistent entre l'oxitocina fecal i les concentracions de FGM, es va observar una relació positiva entre l’IgA fecal i els nivells de FGM en condicions basals. No obstant, aquesta correlació no es va mantenir de manera consistent entre els individus en analitzar les fluctuacions diàries en els nivells dels biomarcadors. En general, aquesta tesi contribueix a millorar la nostra comprensió de la fisiologia de l'estrès en lleons en captivitat i representa un primer pas fonamental en l’investigació de l'oxitocina i l’IgA en femtes com a biomarcadors del benestar animal. No obstant això, cal més investigació per avaluar aquests biomarcadors en relació amb els estats afectius positius i establir-ne la seva fiabilitat com a indicadors fisiològics en avaluacions de benestar.Las instituciones zoológicas son responsables de garantizar los más altos estándares de bienestar animal. En cautividad, los animales pueden estar expuestos a factores estresantes relacionados con el alojamiento y manejo que afectan negativamente su salud y bienestar. La medición de glucocorticoides es una herramienta ampliamente utilizada para monitorear el estrés, siendo el análisis de hormonas en heces un método no invasivo habitual en endocrinología de fauna silvestre. A pesar de su potencial, la fisiología del estrés en leones en cautividad ha sido poco estudiada, con un enfoque principal en la reproducción más que en las respuestas a las condiciones ambientales y de manejo. A medida que la ciencia del bienestar animal avanza hacia la promoción de estados afectivos positivos, resulta fundamental investigar nuevos biomarcadores que permitan evaluar experiencias de bienestar positivo. La oxitocina y la inmunoglobulina A (IgA), relacionadas con los sistemas neuroendocrino e inmune, respectivamente, muestran potencial como indicadores de experiencias positivas. Sin embargo, la presencia de oxitocina en heces aún no ha sido explorada, y la IgA en heces no ha sido investigada en felinos silvestres. Validar estos biomarcadores es esencial antes de integrarlos en evaluaciones de bienestar animal. Así, esta tesis tuvo como objetivo avanzar en la comprensión de la fisiología del estrés en leones en cautividad (Panthera leo), con un enfoque en el desarrollo y validación de metodologías para cuantificar oxitocina e IgA en heces. Primero, examinamos los niveles de metabolitos de glucocorticoides en heces (FGM por sus siglas en inglés) en leones en condiciones ambientales y de manejo estables. Mientras que el sexo no tuvo efecto, el estado reproductivo sí: las leonas ovariectomizadas presentaron niveles de FGM más bajos que las hembras intactas y aquellas bajo contracepción hormonal. Seguidamente se examinaron condiciones específicas de alojamiento y manejo, observando que los niveles de FGM variaban entre zoológicos, con la inestabilidad social y la agresividad relacionadas con una mayor actividad adrenocortical. No obstante, la variabilidad individual en las respuestas al estrés resalta la importancia de un monitoreo individualizado. La segunda parte de esta tesis representa la primera investigación sobre la presencia de oxitocina en heces en cualquier especie. Se desarrolló y validó con éxito un protocolo para la extracción y cuantificación de oxitocina en heces de león mediante inmunoensayo enzimático. De manera similar, se validó una metodología para la extracción y cuantificación de IgA fecal en leones utilizando inmunoensayo enzimático. Tras estos avances metodológicos, se llevó a cabo una evaluación inicial de la relevancia biológica de estos biomarcadores en leones en cautividad bajo condiciones sociales y de alojamiento estables. Los resultados indicaron que las concentraciones de IgA fecal fueron influenciadas por el sexo, con las hembras mostrando niveles más altos que los machos, mientras que los niveles de oxitocina fecal no se vieron afectados por factores biológicos. Finalmente, se examinó la relación entre la oxitocina e IgA con el sistema de estrés. Aunque no se encontró una correlación fuerte ni consistente entre la oxitocina fecal y las concentraciones de FGM, se observó una relación positiva entre la IgA fecal y los niveles de FGM en condiciones basales. Sin embargo, esta correlación no se mantuvo de manera consistente entre los individuos al analizar las fluctuaciones diarias en los niveles de los biomarcadores. En general, esta tesis mejora nuestra comprensión de la fisiología del estrés en leones en cautividad y representa un primer paso fundamental en la investigación de la oxitocina y la IgA en heces como biomarcadores del bienestar animal. Sin embargo, se requiere más investigación para evaluar estos biomarcadores en relación con los estados afectivos positivos y establecer su fiabilidad como indicadores fisiológicos en evaluaciones de bienestar.Zoological institutions are responsible for ensuring the well-being of animals in their care, maintaining the highest standards of animal welfare. In captivity, animals can be exposed to various stressors related to housing and management practices, which can negatively impact animal health and welfare. To monitor stress responses, glucocorticoids have long been used as key physiological indicators, helping identify factors and practices contributing to poor health, reduced reproductive success, and compromised welfare. Among non-invasive methods, fecal hormone analysis is widely utilized in wildlife endocrinology. Despite its potential, stress physiology in lions under human care remains underexplored, with most existing research focusing on reproductive physiology rather than stress responses to environmental and husbandry conditions. As animal welfare science shifts towards promoting positive affective states, new biomarkers are being explored to assess positive welfare experiences. Oxytocin and immunoglobulin A (IgA), linked to the neuroendocrine and immune systems, respectively, have shown promise as indicators of positive experiences. However, the presence of oxytocin in feces has not been previously investigated, and fecal IgA remains unexplored in wild felids. Therefore, validating these biomarkers in feces is essential before they can be reliably applied in animal welfare assessments. Accordingly, this thesis aimed to advance the understanding of stress physiology in captive lions (Panthera leo), with a particular focus on the development and validation of non-invasive methodologies for measuring oxytocin and IgA in feces as potential biomarkers of positive welfare. We first examined fecal glucocorticoid metabolite (FGM) concentrations in captive lions under stable environmental and management conditions to assess how they vary with biological factors. While sex had no effect, reproductive status in females influenced FGM levels, with ovariectomized lionesses exhibiting lower concentrations than intact and hormonally contracepted females. We then investigated the impact of specific housing and management conditions on stress physiology. FGM levels varied across zoo environments, although multiple confounding factors likely contributed to these differences. Additionally, social instability and aggression were linked to increased adrenocortical activity, as observed in an older female subjected to repeated attacks by a conspecific. In contrast reduced daily handling routines and a more stable social environment following the death of a dominant male were associated with lower FGM levels in another group. However, individual variability in stress responses highlights the importance of individualized monitoring for accurate welfare assessments. The second part of this thesis represents the first investigation into the presence of oxytocin in feces across any species. A protocol for extracting and quantifying oxytocin in lion feces was successfully developed and validated using enzyme immunoassay. Likewise, a methodology for extracting and quantifying fecal IgA in lions, was validated using enzyme immunoassay. Following these methodological advancements, we conducted an initial evaluation of the biological relevance of these biomarkers in captive lions under stable social and housing conditions. Results indicated that fecal IgA concentrations were influenced by sex, with females showing higher levels than males, whereas fecal oxytocin levels were not affected by biological factors. Finally, the relationship between oxytocin and IgA with the stress system was examined. While no strong or consistent correlation was found between fecal oxytocin and FGM concentrations, a positive relationship was observed between fecal IgA and FGM levels under basal conditions. However, this correlation was not consistently maintained across individuals when analyzing daily fluctuations in biomarker levels. Overall, this thesis contributes to a deeper understanding of stress physiology in lions under human care and represents a crucial first step in exploring fecal oxytocin and IgA as biomarkers of animal welfare. However, further research is needed to assess the relationship between these biomarkers and positive affect and to establish their reliability as physiological indicators in welfare assessments.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Medicina i Sanitat Animal
Salt dependent DNA translocation dynamics across nanopores
Get PDFPrograma de Doctorat en Física[eng] This thesis uses two complementary single-molecule techniques, nanopipette microscopy and optical tweezers, to investigate the impact of various monovalent salts at high concentrations in DNA. The thesis begins by characterizing the conductance and noise properties of nanopipettes in a wide range of concentrations. Once the nanopipettes have been characterized, they are used to conduct DNA translocation experiments to examine how different cations influence their translocation parameters. These experiments also allow us to explore the effects of applied voltage and salt concentration on DNA folding configurations during translocation. In addition, we explore why compact DNA folding configurations have lower dwell times compared to longer folding configurations. Finally, optical tweezers are used to carry out stretching experiments on a DNA fork, providing information on DNA stability under conditions of high ionic strength related to DNA translocation experiments. The thesis is divided into six parts. Part I provides an introduction to the experimental techniques used throughout this work, along with the theoretical frameworks and concepts that will be needed for Parts II, III and IV. This part is divided into three chapters. Chapter 1 is an introduction to the nanofear field. The chapter describes the setup and basic concepts required to perform electrical measurements with nanopipettes and discusses the limits of resolution of the technique. The main sources of noise when experiments with nanopores are carried out are also described. Also, some relevant nanofluidic phenomena are introduced when working at the nanoscale, along with some theoretical foundations on the regulation of surface load. Finally, some previous results of DNA translocation through nanopores are shown. Chapter 2 introduces the optical trap and mini-tweezers configuration that was used to perform the experiments in this thesis. Chapter 3 introduces the basic components and structure of nucleic acids, focusing on DNA, which will be the biomolecule studied throughout the thesis. The chapter concludes by presenting the theoretical foundations of two elastic models used to describe the elastic properties of polynucleotides. Part II contains results of experiments with nanopipettes. It begins with chapter 4, where the conductance of nanopipettes for different salt concentrations is studied, comparing the contributions of conductance in volume and surface area and the effect of pH on surface loading. In addition, two conductivity models are compared to model the conductance of nanopipettes with concentration. In addition, the blinking noise of the nanopipettes is analyzed, exploring how the parameters that describe the noise change with concentration and tension. Chapter 5 presents λ-DNA translocation experiments in different monovalent salts. This chapter investigates the effect of concentration and cation type on translocation parameters such as residence time, electric current blocking, and charge blocking of λ-DNA translocations. The chapter focuses on how the cation-DNA interaction changes with the size of the cation. Chapter 6 studies the different folding configurations that occur during DNA translocation and how they depend on salt tension and concentration. To do this, an analysis of the different levels that occur during λ-DNA translocation and the residence time of the different levels is carried out. The analysis also allows us to extract general data on DNA translocation through nanopipettes. Finally, the causes of the lower dispersion of the dwell time of the more compact folding configurations compared to the longer folding configurations are explored. Part III includes experiments with optical tweezers. In Chapter 7, optical tweezers are used to conduct stretching experiments of long DNA forks at high ionic concentrations of various monovalent salts. The average opening force and the effect of concentration on fork stability are investigated. The chapter concludes with a joint discussion of the results of translocation experiments and optical tweezers at high salt concentrations. Part IV contains the results of a one-month international stay. Chapter 8 includes a brief introduction to the SPRNT (Single-molecule picometer resolution nanopore tweezers) technique, which was used to perform experiments with the Hel308 helicase. In addition, some preliminary experiments of the with the gp41 helicase using SPRNT are presented. Part V contains the final conclusions of the thesis and the future perspectives of the work. Part VI consists of all the Appendices. Appendices E and C complement the results of some of the chapters, while Appendices A, B, F, and D describe in detail the most important experimental protocols and MATLAB codes used in the development of the thesis.[cat] Aquesta tesi utilitza dues tècniques complementàries de molècula individual, la microscòpia de nanopipeta i les pinces òptiques, per investigar l’impacte de diverses sals monovalents a concentracions elevades en l’ADN. La tesi comença caracteritzant les propietats de la conductància i el soroll de les nanopipetes en un ampli rang de concentracions. Un cop caracteritzades les nanopipetes, s’utilitzen per dur a terme experiments de translocació de l’ADN per examinar com diferents cations influeixen en els seus paràmetres de translocació. Aquests experiments també ens permeten explorar els efectes de la del voltatge aplicat i la concentració de sal en les configuracions de plegament de l’ADN durant la translocació. A més, explorem per què les configuracions compactes de plegament de l’ADN presenten temps d’estada més baixos en comparació amb les configuracions de plegament més allargades. Finalment, s’utilitzen pinces òptiques per dur a terme experiments de d’estirament en una forquilla d’ADN, proporcionant informació sobre l’estabilitat de l’ADN en condicions d’alta força iònica relacionades amb els experiments de translocació de l’ADN. La tesi es divideix en sis parts. La Part I proporciona una introducció a les tècniques experimentals utilitzades al llarg d’aquest treball, juntament amb els marcs teòrics i conceptes que seran necessaris per a les parts II, III i IV. Aquesta part es divideix en tres capítols. El capítol 1 és una introducció al camp de nanopor. El capítol descriu la configuració i els conceptes bàsics necessaris per realitzar mesures elèctriques amb nanopipetes i discuteix els límits de resolució de la tècnica. També es descriuen les principals fonts de soroll quan es duen a terme experiments amb nanopors. També, s’introdueixen alguns fenòmens nanofluídics rellevants quan es treballa a nanoescala, juntament amb alguns fonaments teòrics sobre la regulació de la càrrega superficial. Finalment, es mostren alguns resultats previs de translocació d’ADN a través de nanopors. El capítol 2 introdueix la trampa òptica i la configuració del mini-tweezers que es va utilitzar per realitzar els experiments en aquesta tesi. El capítol 3 introdueix els components bàsics i l’estructura dels àcids nucleics, centrant-se en l’ADN, que serà la biomolècula estudiada al llarg de la tesi. El capítol conclou presentant els fonaments teòrics de dos models elàstics emprats per descriure les propietats elàstiques dels polinucleòtids. La Part II conté resultats d’experiments amb nanopipetes. Comença amb el capítol 4, on s’estudia la conductància de les nanopipetes per a diferents concentracions de sal, comparant les contribucions de la conductància en volum i superfície i l’efecte del pH sobre la càrrega superficial. A més, es comparen dos models de conductivitat per modelitzar la conductància de les nanopipetes amb la concentració. A més, s’analitza el soroll de parpelleig les nanopipetes, explorant com canvien els paràmetres que descriuen el soroll amb concentració i tensió. El capítol 5 presenta experiments de translocació λ-ADN en diferents sals monovalents. Aquest capítol investiga l’efecte de la concentració i el tipus de catió en els paràmetres de translocació com el temps d’estada, el bloqueig de la corrent elèctrica i el bloqueig de càrrega de les translocacions λ-DNA. El capítol se centra en com la interacció catió-ADN canvia amb la mida del catió. El capítol 6 estudia les diferents configuracions de plegament que es produeixen durant la translocació de l’ADN i com depenen de la tensió i la concentració de sal. Per a això, es fa una anàlisi dels diferents nivells que es produeixen durant la translocació λ-DNA i el temps de residència dels diferents nivells. L’anàlisi també ens permet extreure dades generals sobre la translocació de l’ADN a través de nanopipetes. Finalment, s’exploren les causes de la menor dispersió del temps d’estada de les configuracions de plegaments més compacte respecte a les configuracions de plegament més allargades. La part III inclou experiments amb pinces òptiques. En el capítol 7, les pinces òptiques s’utilitzen per dur a terme experiments d’estirament de llargues forquilles d’ADN a altes concentracions iòniques de diverses sals monovalents. S’investiga la força mitjana d’obertura i l’efecte de la concentració en l’estabilitat de la forquilla. El capítol conclou amb una discussió conjunta dels resultats dels experiments de translocació i pinces òptiques en altes concentracions de sal. La part IV conté resultats d’una estada internacional d’un mes. El capítol 8 inclou una breu introducció a la tècnica SPRNT (Single-molecule picometer resolution nanopore tweezers), que es va utilitzar per realitzar experiments amb l’helicasa Hel308. A més, es presenten alguns experiments preliminars de la amb l’helicasa gp41 helicasa fent servir SPRNT. La part V conté les conclusions finals de la tesi i les perspectives futures del treball. La Part VI consta de tots els Apèndixs. Els Appendices E i C complementen els resultats d’alguns dels capítols, mentre que els Appendices A, B, F i D descriuen en detall els protocols experimentals més importants i els codis MATLAB utilitzats en el desenvolupament de la tesi
Desarrollo de Nanopartículas Lipídicas para vehiculizar siRNA a través de la Barrera Hematoencefálica
Get PDFPrograma de Doctorat en Investigació, Desenvolupament i Control de Medicaments[spa] La administración de medicamentos hacia el sistema nervioso central (SNC) es uno de los principales retos en la neurofarmacología, principalmente debido a la presencia de la barrera hematoencefálica (BHE). Aunque esta barrera es crucial para mantener la homeostasis al excluir toxinas y patógenos, también limita drásticamente el paso de más del 98 % de los fármacos convencionales y prácticamente todos los biofármacos, incluyendo los ácidos nucleicos. En este contexto, el uso de nanopartículas, y en particular de nanopartículas lipídicas, ha ganado relevancia como una estrategia para mejorar la entrega de terapias al cerebro. Las nanopartículas lipídicas presentan propiedades físico químicas que le permiten enfrentar el reto que significa la barrera hematoencefálica. Particularmente su pequeño tamaño y su capacidad de modificación superficial con ligandos específicos para el direccionamiento activo. Adicionalmente, en la última década, han emergido como el tipo de vehículo más apto, y con éxito en la aplicación clínica, para el direccionamiento de terapias con ácidos nucleicos. En esta investigación, se desarrolló una formulación base de nanopartículas lipídicas ionizables (LNPs) destinada a la vehiculización de siRNA a través de la BHE. Las nanopartículas se preparan mediante la mezcla microfluídica de soluciones lipídicas en etanol, y soluciones acuosas de siRNA. El proceso de desarrollo se guio por los principios de Calidad por Diseño (QbD), permitiendo un entendimiento profundo de los parámetros críticos de proceso (CPP) y de formulación que afectan los atributos críticos de calidad (CQA) de las nanopartículas. Esto facilitó la optimización del tamaño de partícula, el potencial zeta, el índice de polidispersidad y la eficiencia de encapsulación, garantizando que la formulación fuera reproducible y estable para aplicaciones futuras. Durante exploraciones experimentales de esta investigación, surgieron hallazgos que desafían algunas de las nociones establecidas en el estado del arte de la fabricación de nanopartículas lipídicas, particularmente en lo que respecta a los parámetros críticos de proceso (CPP) y de formulación. Por ejemplo, se descubrió que la diálisis, generalmente considerada un paso secundario, impacta de manera significativa el tamaño de partícula, el potencial zeta y el PDI, además de modificar la influencia del flujo de razón (FRR), un parámetro clave en la fabricación. Asimismo, se determinó que solo una fracción de la maleimida añadida está disponible en la superficie de las nanopartículas para la funcionalización, lo que resalta la importancia de cuantificarla como un atributo crítico de calidad (CQA) en lugar de asumir que toda la cantidad agregada es funcional. Una vez establecida la formulación base, se avanzó hacia la funcionalización de las nanopartículas para potenciar su capacidad de atravesar la BHE. Se emplearon diferentes péptidos, seleccionados a partir de una revisión sistemática exhaustiva, como Angiopep-2, RVG, MiniAp-4 y THRre, los cuales se acoplaron a las nanopartículas mediante reacción con la maleimida. El tiempo de incubación, pH y proporción maleimida a péptido fueron optimizados para asegurar una alta eficiencia de funcionalización. Finalmente, las nanopartículas demostraron ser biocompatibles y eficaces en la internalización celular y el silenciamiento génico en modelos celulares in vitro, lo que evidenció su capacidad para transportar y liberar siRNA dentro del citoplasma. Adicionalmente, estudios preliminares de biodistribución in vivo mostraron que las nanopartículas, incluso sin funcionalizar, lograron acumularse en el cerebro, confirmando su potencial para aplicaciones terapéuticas en el SNC.[eng] The delivery of therapeutic agents into the central nervous system (SNC) remains one of the main challenges in neuropharmacology, primarily due to the presence of the blood-brain barrier (BHE). While this barrier is crucial for maintaining homeostasis by excluding toxins and pathogens, it also drastically limits the passage of over 98% of conventional drugs and almost all biopharmaceuticals, including nucleic acids. In this context, the use of nanoparticles, particularly lipid nanoparticles, has gained prominence as a strategy to enhance brain-targeted therapy delivery. Lipid nanoparticles possess physicochemical properties that enable them to overcome the challenges arising from the BHE, such as small size and the capacity for surface modification with targeting ligands. Additionally, over the past decade, lipid nanoparticles have emerged as the most suitable vehicle for delivering nucleic acid-based therapies, with notable clinical success. This study developed a base formulation of ionizable lipid nanoparticles (LNPs) designed for siRNA delivery across the BBB. The nanoparticles were prepared using microfluidic mixing of lipid solutions in ethanol with aqueous siRNA solutions. The development process was guided by Quality by Design (QbD) principles, allowing for a deep understanding of the critical process parameters (CPP) and formulation attributes that influence the critical quality attributes (CQA) of the nanoparticles. This facilitated the optimization of particle size, zeta potential, polydispersity index (PDI), and encapsulation efficiency, ensuring a reproducible and stable formulation for future applications. During experimental investigations, several findings emerged that challenge established notions in LNPs fabrication, particularly concerning critical process and formulation parameters. For instance, dialysis, often considered a secondary step, was found to significantly affect particle size, zeta potential, and PDI, while also altering the influence of the flow rate ratio (FRR), a key parameter in nanoparticle fabrication. Additionally, it was found that only a fraction of the maleimide added to the formulation is available on the nanoparticle surface for functionalization, underscoring the importance of quantifying maleimide as a CQA rather than assuming full functionality of the added amount. After establishing the base formulation, functionalization of the nanoparticles was performed to enhance their ability to cross the BHE. Various peptides, selected from a comprehensive systematic review, including Angiopep-2, RVG, MiniAp-4, and THRre, were conjugated to the nanoparticles via maleimide-based chemistry. The incubation time, pH, and maleimide-to-peptide ratio were optimized to ensure high functionalization efficiency. Finally, the nanoparticles demonstrated biocompatibility and efficacy in cellular internalization and gene silencing experiment in in vitro cell models, confirming their ability to transport and release siRNA into the cytoplasm. Preliminary in vivo biodistribution studies further indicated that the nanoparticles, even the non-functionalized, were able to accumulate in the brain. These results confirm the potential of LNPs for therapeutic applications in the SNC, opening the gates to future advancements in treating a broad spectrum of neurological and psychiatric disorders and brain tumours
Análisis de la precariedad laboral de profesionales de Enfermería que trabajan en residencias para personas mayores de Cataluña
Get PDFLes residències de gent gran són llocs on viuen persones amb necessitats d'atenció complexes, i la Infermeria Geriàtrica és la responsable de brindar una cura òptima. La qualitat de la cura de les persones grans depèn en gran mesura de les Condicions Laborals (CL) de les infermeres que proporcionen cures a dites residències. No obstant això, a Espanya, s'ha documentat una alta Precarietat Laboral (PL) en la Infermeria d'aquest àmbit.
Objectiu: Examinar la precarietat laboral de la infermeria que proporciona cures als Centres Residencials (CR) de Catalunya.
Mètode: Estudi mixt amb un disseny seqüencial explicatiu dividit en 3 fases: a la primera fase es va administrar l'escala de Precarietat Laboral EPRES, a la segona es va realitzar un estudi qualitatiu i a la tercera, es va administrar el qüestionari “Supervisory Support Scale”. Van participar infermeres que treballen a diversos centres residencials de Catalunya.
Resultats: Els resultats evidencien que les infermeres dels centres residencials a Catalunya estan exposades a una precarietat laboral alta; sent la dimensió identificada amb més precarietat el salari, seguida de la vulnerabilitat i la temporalitat. A més, la precarietat s'evidencia en el multitasking i en les escasses possibilitats de formació i de reconeixement de l'especialització geriàtrica i de les infermeres Responsable Higiènicosanitari (RHS) als CR.
Conclusions: A Catalunya, les infermeres dels centres residencials estan exposades a una precarietat laboral alta. La investigació futura d'aquest estudi aporta evidència que el multitasking pot ser un indicador referent de Precarietat Laboral. Si augmentés el nombre d'infermeres geriàtriques, es reduiria la PL i, en conseqüència, generaria un impacte positiu en la qualitat d'atenció i de vida de les persones que viuen en CR.Las residencias de mayores son lugares donde viven personas con necesidades de atención complejas, y la Enfermería Geriátrica es la responsable de brindarles un cuidado óptimo. La calidad del cuidado de las personas mayores depende en gran medida de las Condiciones Laborales (CL) de las enfermeras que proporcionan cuidados en dichas residencias. Sin embargo, en España, se ha documentado una alta Precariedad Laboral (PL) de la Enfermería de este sector.
Objetivo: Examinar la precariedad laboral de la enfermería que brinda cuidados en los Centros Residenciales (CR) de Cataluña.
Método: Estudio mixto con un diseño secuencial explicativo dividido en 3 fases: en la primera fase se administró la escala de Precariedad Laboral EPRES, en la segunda se realizó un estudio cualitativo y en la tercera, se administró el cuestionario “Supervisory Support Scale”. Participaron enfermeras que trabajan en diversos centros residenciales de Cataluña.
Resultados: Los resultados evidencian que las enfermeras de los centros residenciales en Cataluña están expuestas a una alta precariedad laboral; siendo la dimensión identificada con mayor precariedad el salario, seguida de la vulnerabilidad y la temporalidad. Además, la precariedad se evidencia en el “multitasking” y en las escasas posibilidades de formación y de reconocimiento de la Especialización Geriátrica y de las enfermeras Responsable Higiénico-Sanitarias (RHS) en los CR.
Conclusiones: En Cataluña, las enfermeras de los centros residenciales están expuestas a una alta precariedad laboral. La investigación futura de este estudio aporta evidencia que el “multitasking” puede ser un indicador referente de PL. Si aumentara el número de enfermeras geriátricas, se reduciría la PL y, en consecuencia, generaría un impacto positivo en la calidad de atención y de vida de las personas que viven en CR.Nursing homes are places where people with complex care needs live, and Geriatric Nursing is responsible for providing them with optimal care. The quality of care for the elderly depends largely on the working conditions of the nurses who provide care in nursing homes. However, in Spain, a high work insecurity has been documented for nursing in this sector.
Objective: To examine the work insecurity of nursing care in residential centers in Catalonia.
Method: Mixed study with an explanatory sequential design divided into 3 phases: in the first phase, Employment Precariousness Scale (EPRES) was administered. In the second, a qualitative study was carried out and in the third, the “Supervisory Support Scale” questionnaire was administered. Several Nurses that work in different Nursing Homes in Catalonia participated in the study.
Results: The results show that nurses in Nursing Homes in Catalonia are exposed to high work insecurity, being the identified with the greatest precariousness dimension the salary, followed by vulnerability and temporality. Likewise, precariousness is evident in “multitasking”, and limited possibilities of training and recognition of Geriatric Specialization and healthcare-specialized Nurses in Nursing Homes.
Conclusions: In Catalonia, nurses in Nursing Homes are exposed to high work insecurity. Future research in this study provides evidence that “multitasking” can be a leading indicator of Precariousness Employment. If the number of geriatric nurses were higher, Precariousness Employment would be reduced and therefore a positive impact on the quality of care and life of people living in Nursing Homes would be generated
A Multifaceted Computational Study of the Structural, Energetic, and Electronic Properties of Titania Nanostructures
Get PDFPrograma de Doctorat en Química Teòrica i Modelització Computacional[eng] The devastating climatic and environmental effects of burning fossil fuels are now firmly established, emphasizing the urgent need for reliable and renewable energy sources. One promising alternative is hydrogen, which can be produced through photocatalytic water splitting using sunlight. Among various semiconductor materials explored for this purpose, titanium dioxide (TiO2), also known as titania, stands out due to its chemical stability, non-toxicity, and low cost compared to other candidates like metal sulfides or perovskites. However, despite these advantages, TiO2 alone is not an efficient photocatalyst for water splitting due to its large bandgap, which limits visible-light absorption, and its high charge recombination rates. Nevertheless, it serves as a suited model system for understanding fundamental photocatalytic processes and can be functionalized—via doping, heterostructuring, or surface modifications—to create more efficient photocatalytic agents. Given its widespread use in photocatalysis, photovoltaics, and environmental remediation, gaining a detailed understanding of the structural and electronic properties of TiO2 at the nanoscale is essential for developing more effective and optimized photoactive materials.
In this thesis, we systematically investigate the structural, electronic, thermo-dynamic, and excited states properties of TiO2 nanosystems, focusing on the role of hydroxylation and the influence of nanostructuring. Through a combination of classical and ab initio molecular dynamics, density functional theory (DFT), time-dependent DFT (TD-DFT), and nonadiabatic molecular dynamics (NA-MD), we explore how size, crystallinity, and surface functionalization in- fluence the stability and electronic properties of such TiO2 systems. We show that increasing hydroxylation leads to a convergence in structural and electronic properties between amorphous and crystalline nanoparticles (NPs), giving rise to “crystalike” structures—amorphous nanomaterials that mimic the electronic behaviour of the photoactive anatase crystalline phase. Additionally, our refined model for the ligand-induced dipole effect (LIDE) reveals a non- linear dependence of electronic energy level shifts on hydroxyl coverage, allowing for precise tuning of conduction and valence band positions. In the context of thermodynamics, we develop an analytical function to approximate the
vibrational contributions to the Gibbs free energy of formation (Δ(, )) as a function of NP size and hydroxylation degree. This function enables corrections to Δ(, ) calculations based on 0 K total energies, avoiding the need for computationally expensive vibrational frequency calculations. The effect of these corrections diminishes for larger systems but remains significant for NPs up to tens of nanometers in diameter. This approach bridges the gap between computational methods suited for small clusters and those applicable to extended surfaces, allowing for efficient phase diagram calculations of nanosystems interacting with their environment. Finally, by explicitly exploring the excited-state dynamics using NA-MD methodologies, we rigorously analyse the radiative and nonradiative relaxation processes in small TiO2 nanoclusters. Here we provide an accurate description of charge carrier recombination which is an important factor that determines photocatalytic performance.
Beyond analysing how hydroxylation and size influence TiO2-based nanomaterials, this thesis introduces new computational models to more accurately describe the thermodynamics and electronic properties of nanostructures. These developments improve the theoretical frameworks available for studying nanoscale materials, particularly in the context of photocatalysis and electronic structure tuning. In this way, by advancing our fundamental understanding of TiO2 at the nanoscale, this work contributes to the ongoing development of more efficient photocatalytic and optoelectronic materials.[cat] Els devastadors efectes climàtics i ambientals de la combustió de combustibles fòssils estan àmpliament establerts, subratllant la necessitat urgent de fonts d’energia fiables i renovables. Una alternativa prometedora és l’hidrogen, que es pot produir mitjançant la fotocatàlisi de l’aigua amb llum solar. Entre els diversos materials semiconductors explorats per a aquest propòsit, el diòxid de titani (TiO2), també conegut com a titània, destaca per la seva estabilitat química, no toxicitat i baix cost en comparació amb altres candidats com els sulfurs metàl·lics o les perovskites. No obstant això, malgrat aquests avantatges, el TiO2 per si sol no és un fotocatalitzador eficient per a la fotòlisi de l’aigua a causa del seu ample band gap, que limita l’absorció de llum visible, i de les seves altes taxes de recombinació de càrrega. Tot i així, serveix com a sistema model excel·lent per comprendre els processos fotocatalítics fonamentals i pot ser funcionalitzat —mitjançant dopatge, heteroestructuració o modificacions de superfície— per crear agents fotocatalítics més eficients. Donat el seu ampli ús en fotocatàlisi, fotovoltaica i remediació ambiental, obtenir una comprensió detallada de les propietats estructurals i electròniques del TiO2 a escala nanomètrica és essencial per desenvolupar materials més efectius i optimitzats.
En aquesta tesi, investiguem sistemàticament les propietats estructurals, electròniques i termodinàmiques de les nanoestructures de TiO2, centrant-nos en el paper de la hidroxilació i la influència de la nanoestructuració. A través d’una combinació de dinàmica molecular clàssica i ab initio, teoria del funcional de la densitat (DFT), DFT dependent del temps (TD-DFT) i dinàmica molecular no adiabàtica (NA-MD), explorem com la mida, la cristal·linitat i la funcionalització de la superfície influeixen en l’estabilitat i les propietats electròniques de les nanopartícules (NPs) de TiO2. Demostrem que l’augment de la hidroxilació condueix a una convergència en les propietats estructurals i electròniques entre les NPs amorfes i cristal·lines, donant lloc a estructures “cristaloides” — nanomaterials amorfs que imiten el comportament electrònic de la fase cristal·lina fotoactiva de l’anatasa. A més, el nostre model refinat per a l’efecte de dipol induït per lligands (LIDE) revela una dependència no lineal dels desplaçaments dels nivells d’energia electrònica respecte a la cobertura d’hidroxil,
permetent un ajust precís de les posicions de les bandes de conducció i valència.
En el context de la termodinàmica, desenvolupem una funció analítica per aproximar les contribucions vibracionals a l’energia lliure de Gibbs de formació (Δ(, )) en funció de la mida de la NP i del grau d’hidroxilació. Aquesta funció permet corregir els càlculs de Δ(, ) basats en energies totals a 0 K, evitant la necessitat de càlculs costosos de freqüències vibracionals. L’efecte d’aquestes correccions disminueix en sistemes més grans, però continua sent significatiu per a NPs de fins a desenes de nanòmetres de diàmetre. Aquest enfocament permet connectar els mètodes computacionals adequats per a petits clústers amb aquells aplicables a superfícies esteses, facilitant el càlcul eficient de diagrames de fase de nanosistemes en interacció amb el seu entorn. Final- ment, mitjançant l’exploració explícita de la dinàmica en estat excitat utilitzant NA-MD, analitzem rigorosament els processos de relaxació radiativa i no radiativa en petits nanoclústers de TiO2. Això ens permet descriure amb precisió la recombinació de portadors de càrrega, un factor clau que determina el rendiment fotocatalític.
Més enllà d’analitzar com la hidroxilació i la mida influeixen en els nanomaterials basats en TiO2, aquesta tesi introdueix nous models computacionals per descriure amb més precisió la termodinàmica i les propietats electròniques de les nanoestructures. Aquests avenços milloren els marcs teòrics disponibles per estudiar materials a nanoescala, especialment en el context de la fotocatàlisi i l’ajust de l’estructura electrònica. En aprofundir en la comprensió fonamental del TiO2 a escala nanomètrica, aquest treball contribueix al desenvolupament continu de materials fotocatalítics i optoelectrònics més eficients