Ab initio absorption spectrum of NiO combining molecular dynamics with the embedded cluster approach in a discrete reaction field

We developed a procedure that combines three complementary computational methodologies to improve the theoretical description of the electronic structure of nickel oxide. The starting point is a Car-Parrinello molecular dynamics simulation to incorporate vibrorotational degrees of freedom into the material model. By means ofcomplete active space self-consistent field second-order perturbation theory (CASPT2) calculations on embedded clusters extracted from the resulting trajectory, we describe localized spectroscopic phenomena on NiO with an efficient treatment of electron correlation. The inclusion of thermal motion into the theoretical description allowsus to study electronic transitions that, otherwise, would be dipole forbidden in the ideal structure and results in a natural reproduction of the band broadening. Moreover, we improved the embedded cluster model by incorporating self-consistently at the complete active space self-consistent field (CASSCF) level a discrete (or direct) reaction field (DRF) in the cluster surroundings. The DRF approach offers an efficient treatment ofelectric response effects of the crystalline embedding to the electronic transitions localized in the cluster. We offer accurate theoretical estimates of the absorption spectrum and the density of states around the Fermi level of NiO, and a comprehensive explanation of the source of the broadening and the relaxation of the charge transferstates due to the adaptation of the environment

Electronic couplings and on-site energies for hole transfer in DNA: systematic quantum mechanical/molecular dynamic study

The electron hole transfer (HT) properties of DNA are substantially affected by thermal fluctuations of the π stack structure. Depending on the mutual position of neighboring nucleobases, electronic coupling V may change by several orders of magnitude. In the present paper, we report the results of systematic QM/molecular dynamic (MD) calculations of the electronic couplings and on-site energies for the hole transfer. Based on 15 ns MD trajectories for several DNA oligomers, we calculate the average coupling squares 〈 V2 〉 and the energies of basepair triplets X G+ Y and X A+ Y, where X, Y=G, A, T, and C. For each of the 32 systems, 15 000 conformations separated by 1 ps are considered. The three-state generalized Mulliken-Hush method is used to derive electronic couplings for HT between neighboring basepairs. The adiabatic energies and dipole moment matrix elements are computed within the INDO/S method. We compare the rms values of V with the couplings estimated for the idealized B -DNA structure and show that in several important cases the couplings calculated for the idealized B -DNA structure are considerably underestimated. The rms values for intrastrand couplings G-G, A-A, G-A, and A-G are found to be similar, ∼0.07 eV, while the interstrand couplings are quite different. The energies of hole states G+ and A+ in the stack depend on the nature of the neighboring pairs. The X G+ Y are by 0.5 eV more stable than X A+ Y. The thermal fluctuations of the DNA structure facilitate the HT process from guanine to adenine. The tabulated couplings and on-site energies can be used as reference parameters in theoretical and computational studies of HT processes in DNA

First-principles study of the neutral molecular metal Ni(tmdt)2.

The electronic structure of the molecular solid Ni(tmdt)2, the only well characterized neutral molecular metal to date, has been studied by means of first-principles density functional calculations. It is shown that these calculations correctly describe the metallic vs semiconducting behavior of molecular conductors of this type. The origin of the band overlap leading to the metallic character and the associated Fermi surfaces has been studied.

Molecular Physics of Elementary Processes relevant to Hypersonics: atom-molecule, molecule-molecule and atom-surface processes.

In the present chapter some prototype gas and gas-surface processes occurring within the hypersonic flow layer surrounding spacecrafts at planetary entry are discussed. The discussion is based on microscopic dynamical calculations of the detailed cross sections and rate coefficients performed using classical mechanics treatments for atoms, molecules and surfaces. Such treatment allows the evaluation of the efficiency of thermal processes (both at equilibrium and nonequilibrium distributions) based on state-to-state and state specific calculations properly averaged over the population of the initial states. The dependence of the efficiency of the considered processes on the initial partitioning of energy among the various degrees of freedom is discussed.

Caracterización agronómica, fenológica, cualitativa y molecular de la colección nuclear de cebadas españolas

El presente proyecto planteaba el paso siguiente a la construcción, por nosotros mismos, de la Colección Nuclear de Cebadas Españolas, que es una representación esquemática de la variabilidad genética de las cebadas ancestralmente cultivadas en nuestro país. Para la explotación completa de estos materiales autóctonos en el Programa Nacional de Mejora de Cebadas, que estamos llevando a cabo los grupos integrantes de este proyecto, se realizó el mismo, que ha comprendido los objetivos siguientes: - Caracterización agronómica, mediante ensayos de campo en ambientes contrastantes y representativos, incluyendo la evaluación de respuestas a factores productores de estreses bióticos y abióticos. - Caracterización fenológica, mediante ensayos en invernadero con protocolos desarrollados por nosotros, para identificar la respuesta de estos genotipos a la vernalización y el fotoperiodo. - Caracterización maltero-cervecera/pienso, mediante análisis de cebada y malta. - Caracterización molecular, mediante el uso de marcadores SSRs y STS.

Aplicación de técnicas de citogenética molecular para la detección de aneuploidía y clastogenicidad en células humanas expuestas a arsénico

Los objetivos de esta investigación son: a) Determinar la potencialidad genotóxica de diversos compuestos de arsénico (incluyendo inorgánicos y sus formas metiladas) con el ensayo de micronúcleos utilizando cultivos de células humanas; y b)Estudiar la posible acción aneugénica y clastogénica de los compuestos analizados, determinando el origen de los micronúcleos inducidos mediante la técnica FISH, utilizando sondas pancentroméricas.

Estudi de la reactivitat respecte l'oxigen molecular d'una nova família de complexos dinuclears de coure(I) amb lligands hexaazamacrocíclics. Estudis preliminars d'oxidacions de fenols i sulfurs

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Università degli Studi di Pavia entre setembre i desembre del 2007. Els lligands macrocíclics són sistemes que han estat àmpliament utilitzats per mimetitzar els centres actius de proteïnes dinuclears de coure com ara oxigenases (per exemple la tirosinasa). S’ha observat que la reactivitat del complex model depèn de les característiques del lligand com ara la geometria, la cavitat o la distància intermetàl•lica. En aquest sentit, es van sintetitzar dues noves famílies de lligands hexaazamacrocíclics ditòpics, una amb braços laterals tipus piridil i l’altra amb braços laterals tipus fenol. Dintre de cada família, els lligands es diferencien en la cavitat macrocíclica. En aquest treball s’han realitzat estudis de ractivitat respecte de l’oxigen molecular dels complexos dinuclears de coure(I) amb els lligands sintetitzats. Quan es deixen reaccionar els complexos amb oxigen molecular a baixa temperatura, no s’ha observat l’acumulació de cap espècie intermèdia, però si una diferència de reactivitat entre les dues famílies, essent els complexos amb els lligands fenolics molt més reactius que els complexos amb els lligands piridina. També s’han realitzat estudis per comprovar l’activitat oxigenasa dels complexos amb substrats externs. S’han assajat el para-clorofenol i la tioanisole. En el cas del p-clorofenol no s’ha observat en cap cas el producte d’oxigenació corresponent (p-clorocatecol). Quan s’han realitzat els experiments amb la tioanisole, en tots tres casos s’ha observat l’aparició del producte d’oxigenació corresponent (metilfenilsulfòxid), però amb una marcada diferència en el rendiment, mostrant-se molt més actius de nou els complexos amb el lligand fenòlic que el complex amb el lligand piridina.

Oscillations in a molecular structured cell population model

We consider a nonlinear cyclin content structured model of a cell population divided into proliferative and quiescent cells. We show, for particular values of the parameters, existence of solutions that do not depend on the cyclin content. We make numerical simulations for the general case obtaining, for some values of the parameters convergence to the steady state but also oscillations of the population for others.

Could cell membranes produce acoustic streaming? Making the case for synechococcus self-propulsion

Sir James Lighthill proposed in 1992 that acoustic streaming occurs in the inner ear, as part of the cochlear amplifier mechanism. Here we hypothesize that some of the most ancient organisms use acoustic streaming not only for self-propulsion but also to enhance their nutrient uptake. We focus on a motile strain of Synechococcus, a yanobacteria whose mechanism for self-propulsion is not known. Molecular motors could work like piezoelectric transducers acting on the crystalline structure surrounding the outer cell membrane. Our calculations show that a traveling surface acoustic wave (SAW)could account for the observed velocities. These SAW waves will also produce a non-negligible Stokes layer surrounding the cell: motion within this region being essentially chaotic. Therefore, an AS mechanism would be biologically advantageous, enhancing localized diffusion processes and consequently, chemical reactions. We believe that acoustic streaming, produced by nanometer scale membrane vibrations could be widespread in cell biology. Other possible instances are yeast cells and erythrocytes. Flows generated by acoustic streaming may also be produced by silica coated diatoms along their raphe. We note that microelectromechanical (MEMS) acoustic streaming devices were first introduced in the 1990’s. Nature may have preceded this invention by 2.7 Gyr.

Anàlisi genètica i molecular de les malalties Niemann-Pick tipus A/B i tipus C. Estratègies terapèutiques.

Aquest treball es basa en l’estudi de dues malalties lisosòmiques: la malaltia de Niemann-Pick A/B (NPAB) i la malaltia de Niemann-Pick tipus C (NPC). En relació a la malaltia de NPAB, s’ha realitzat l’expressió in vitro d’algunes de les mutacions de canvi d’aminoàcid trobades en pacients espanyols per tal de detectar les activitats enzimàtiques residuals. Totes les mutacions presenten una activitat molt baixa, gairebé nul•la, excepte la p.L225P i la R608del que tenen un 11% i 20% d’activitat respectivament. Els resultats obtinguts són coherents amb la severitat del fenotip que presenten els pacients. D’altra banda, s’ha caracteritzat un al•lel amb una mutació que afecta a una posició poc conservada d’un donador de splicing i que produeix la generació de trànscrits aberrants corresponents a trànscrits minoritaris de SMPD1, prèviament descrits, que no codifiquen per proteïna funcional. Respecte a malaltia de NPC, s’ha realitzat una anàlisi molecular de pacients espanyols prèviament estudiats identificant, en la majoria dels casos, la segona mutació responsable de la patologia. S’ha descrit per primer cop per aquesta malaltia una gran deleció que inclou el gen NPC1 i altres gens flanquejants i s’ha estudiat l’efecte que tenen les mutacions de splicing trobades a nivell de RNA. Per una d’aquestes mutacions, c.1554-1009G&A, s’ha assajat amb èxit una estratègia terapèutica basada en la utilització d’oligonuclèotids antisentit. D’altra banda, s’està desenvolupant un model cel•lular neuronal de la malaltia de Niemann-Pick tipus C, basat en la utilització de RNAs d’interferència, sobre el qual es podran assajar possibles estratègies terapèutiques en un futur.

Obtenció de nous anàlegs amb activitat brassinoesteroide mitjançant modelització molecular i síntesi

Els brassinoesteroides són productes naturals que actuen com a potents reguladors del creixement vegetal. Presenten aplicacions prometedores en l’agricultura degut a que, aplicats exògenament, augmenten la qualitat i la quantitat de les collites. Ara bé, el seu ús s’ha vist restringit degut a la seva costosa obtenció. Aquest fet ha motivat la recerca de nous compostos actius més assequibles. En aquest projecte es planteja el disseny i obtenció de nous anàlegs seguint diferents estratègies que impliquen tant l’ús de mètodes de modelització molecular com de síntesi orgànica. La primera d’aquestes estratègies consisteix en buscar compostos actius en bases de dades de compostos comercials a través de processos de Virtual Screening desenvolupats amb mètodes computacionals basats en Camps d’Interacció Molecular. Així, es van establir i interpretar models de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR) emprant descriptors independents de l’alineament (GRIND) i, amb col•laboració amb la Universitat de Perugia, aquest criteri de cerca es va ampliar amb l’aplicació de descriptors FLAP de nova generació. Una altra estratègia es va basar en intentar substituir l’esquelet esteroide dels brassinoesteroides per una estructura equivalent, fixant com a cadena lateral el grup (R)-hexahidromandelil. S’han aplicat dos criteris: mètodes computacionals basats en models QSAR establerts amb descriptors GRIND i també en la metodologia SHOP (scaffold hopping), i, per altra banda, anàlegs proposats racionalment a partir d’un estudi efectuat sobre disruptors endocrins no esteroïdals. Sobre les estructures trobades s’hi va unir la cadena lateral comercial esmentada per via sintètica, en la qual s’ha hagut de fer un èmfasi especial en grups protectors. En total, 49 estructures es proposen per a ser obtingudes sintèticament. També s’ha treballat en l’obtenció un agonista derivat de l’hipotètic antagonista KM-01. Totes les molècules candidates, ja siguin comercials o obtingudes sintèticament, estant sent avaluades en el test d’inclinació de la làmina d’arròs (RLIT).

Identificación de variedades de vitis vinifera procedentes de diferentes regiones del mundo mediante tècnica de biologia molecular de los microsatéllites

El objetivo de este estudio se centró en analizar una colección privada de germoplasma de Vitis vinifera L., de 338 cultivares procedentes de 24 países, para caracterizarlas creando una base de datos, utilizando 11 marcadores microsatélites o SSR (Simple Sequence Repeat). Como resultado se encontraron que algunas de las muestras analizadas presentaron un perfil idéntico de SSR, indicando que se trata de una sinonimia (la misma variedad pero con diferente nombre). Se detectaron 293 perfiles únicos. Adicionalmente, 15 pares de variedades presentaron diferencias en un solo locus y otros 7 grupos difieren en 2 loci, lo cual indicaría la alta proximidad genética entre esas variedades, sin llegar a ser la misma. El germoplasma analizado cuenta con una compleja biodiversidad varietal que se debe preservar. El estudio se realizó programando para el primer año la revisión bibliográfica detallada, recolección de las hojas y el inicio de la puesta a punto de la metodología, en el segundo año se completa la puesta a punto de la metodología, se trituran las hojas y se realiza la extraccinón del ADN. El tercer año se emplea para amplificar los fragmentos de ADN por medio de la PCR (reacción en cadena de la polimerasa), obtener la longitud de los fragmentos con un secuenciador ABI PRISM 310, valorar resultados y realizar repeticiones. El último año se analizan los resultados obtenidos, se realizan repeticiones pertinentes y se comienza la redacción de artículos científicos.