Energy transduction in periodically driven non-hermitian systems

We show a new mechanism to extract energy from nonequilibrium fluctuations typical of periodically driven non-Hermitian systems. The transduction of energy between the driving force and the system is revealed by an anomalous behavior of the susceptibility, leading to a diminution of the dissipated power and consequently to an improvement of the transport properties. The general framework is illustrated by the analysis of some relevant cases.

Comparative genomics of the vertebrate insulin/TOR signal transduction pathway: A network-level analysis of selective pressures

Complexity of biological function relies on large networks of interacting molecules. However, the evolutionary properties of these networks are not fully understood. It has been shown that selective pressures depend on the position of genes in the network. We have previously shown that in the Drosophila insulin/target of rapamycin (TOR) signal transduction pathway there is a correlation between the pathway position and the strength of purifying selection, with the downstream genes being most constrained. In this study, we investigated the evolutionary dynamics of this well-characterized pathway in vertebrates. More specifically, we determined the impact of natural selection on the evolution of 72 genes of this pathway. We found that in vertebrates there is a similar gradient of selective constraint in the insulin/TOR pathway to that found in Drosophila. This feature is neither the result of a polarity in the impact of positive selection nor of a series of factors affecting selective constraint levels (gene expression level and breadth, codon bias, protein length, and connectivity). We also found that pathway genes encoding physically interacting proteins tend to evolve under similar selective constraints. The results indicate that the architecture of the vertebrate insulin/TOR pathway constrains the molecular evolution of its components. Therefore, the polarity detected in Drosophila is neither specific nor incidental of this genus. Hence, although the underlying biological mechanisms remain unclear, these may be similar in both vertebrates and Drosophila.

Photonic characteristics of Langmuir-Blodgett self-assembled monolayers of colloidal silica particles

Monodispersed colloidal crystals based on silica sub-micrometric particles were synthesized using the Stöber-Fink-Bohn process. The control of nucleation and coalescence result in improved characteristics such as high sphericity and very low size dispersion. The resulting silica particles show characteristics suitable for self-assembling across large areas of closely-packed 2D crystal monolayers by an accurate Langmuir-Blodgett deposition process on glass, fused silica and silicon substrates. Due to their special optical properties, colloidal films have potential applications in fields including photonics, electronics, electro-optics, medicine (detectors and sensors), membrane filters and surface devices. The deposited monolayers of silica particles were characterized by means of FESEM, AFM and optical transmittance measurements in order to analyze their specific properties and characteristics. We propose a theoretical calculation for the photonic band gaps in 2D systems using an extrapolation of the photonic behavior of the crystal from 3D to 2D. In this work we show that the methodology used and the conditions in self-assembly processes are decisive for producing high-quality two-dimensional colloidal crystals by the Langmuir-Blodgett technique.

Redirecció de l'especificitat de les cél·lules T contra epítops del VIH restringit per la HLA-A2 mitjaçant transferència genética

Existeixen creixents evidències què la resposta dels limfòcits T CD8+ alpha beta citotòxics (CTLs) és un element fonamental en la infecció produïda pel VIH. Les CTLs VIH especifiques es consideren molt importants en la reducció de la càrrega viral i en la contenció de la infecció. Encara que la combinació dels antiretrovirals (HAART) ha suposat una millora considerable en la lluita contra el VIH induint una important reducció de la càrrega viral i augmentant el nombre de cèl•lules T CD4+, diverses complicacions han fet ressaltar la necessitat de noves alternatives terapèutiques. Les complicacions inclouen: manca de recuperació d’una resposta immune sòlida contra el VIH, toxicitat a llarg termini de la teràpia i el descobriment que les cèl•lules T CD4+ constitueixen un reservori pel virus. Les noves alternatives controlaran la replicació viral i reconstituiran la immunitat. L’eficàcia de la immunoteràpia cel•lular amb transferència adoptiva de CTLs virals específics s’ha provat en diferents infeccions virals humanes, incloent el VIH. Proposem una modificació de la immunoteràpia adoptiva redirigint l’especificitat de les cèl•lules T contra el VIH mitjançant la transfecció dels gens del TCR. En aquest assaig preclínic, ens aprofitarem de la tecnologia dels animals transgènics per les molècules de HLA, amb la finalitat de generar TCRs d’alta afinitat dirigits contra epitops del VIH restringits per la molècula HLA. Aquests TCRs seran induïts in vivo i seleccionats in vitro. Les cadenes alpha i beta dels TCRs VIH específics procedents de les CTLs seran clonades mitjançant tècniques de biologia molecular. Aquests TCRs VIH específics seran transferits a cèl•lules T CD8+ humanes i la seva especificitat i capacitat citolítica contra cèl•lules diana que presentin antígens de VIH-1 s’estudiaran mitjançant la combinació de diverses tècniques noves (FCC, transfecció mitjançant Nucleoefector). Finalment, una construcció retroviral adient per la seva transducció en cèl•lules T humanes s’establirà amb un TCR òptim seleccionat.

Regulación de la movilidad celular por Profilina 1

Mi proyecto de tesis se basaba en el estudio del papel de profilina 1 en la formación de lamelas, para ello generamos una proteína recombinante y transducible, con el objetivo de poder modificar los niveles endógenos de profilina. Objetivos: i-caracterización bioquímica los tres sitios de union conocidos de la proteína de transducción, el sitio de unión a fosfo-inocitoles (PIP), el de unión a actina (Ac) y el de unión a poli-prolinas (PLP). ii-estudio de la polimerización in-vitro de actina - PTD4-Profilina1 iii-estudio de las proteínas componentes de lamelas inducidas por PTD4-Profilina1. Plan de trabajo: i-Para comprobar la funcionalidad los 3 sitios de unión fueron necesarias las primeras 6 semanas, ya que en primer lugar había que expresar y purificar el peptido Srv2, necesario para el ensayo de PLP. En segundo lugar, se obtuvieron los datos de las concentraciones adecuadas de lípidos para el ensayo de fosfo-inocitoles y por ultimo, se purifico la actina necesaria para el ensayo de unión a actina. Una vez establecida la funcionalidad de la proteína, se procedió a: ii-el estudio de polimerización in-vitro, que llevo 2 semanas. Demostrando que in-vitro era capaz de inhibir la polimerización de una manera similar a la endógena. Una vez terminados estos ensayos, se procedio a: iii-la caracterización inmunohistoquímica de las proteínas componentes de la lamela que fue llevado a cabo en 4 semanas. Para ello se usaron anticuerpos contra: alfa-actinina, talina, vinculina, ENA/Vasp y paxillina. Conclusiones: i-las propiedades bioquímicas de la PTD4-Profilina1 son similares a las de la profilina endógena. ii-los estudios de polimerización indican que la polimerización se produce de manera similar a la endogena. iii-los ensayos de inmunohistoquímica sugieren que, talina esta ausente y que las demás están presentes aunque en menor concentración y con otra distribución comparadas con los controles.

Engineering the thermal emission of macroporous silicon

Todos los cuerpos emiten luz espontaneamente al ser calentados. El espectro de radiacion es una funcion de la temperatura y el material. Sin embargo, la mayoria de los materiales irradia, en general, en una banda espectral amplia. Algunas matereiales, por el contrario, son capaces de concentrar la radiacion termica en una banda espectral mucho mas estrecha. Estos materiales se conocen como emisores selectivos y su uso tiene un profundo impacto en la eficiencia de sistemas sistemas tales como iluminacion y conversion de energia termofotovoltaica. De los emisores selectivos se espera que sean capaces de operar a altas temperaturas y que emitan en una banda espectral muy concisa. Uno de los metodos mas prometedores para controlar y disenar el espectro de emision termico es la utilizacion de cristales fotonicos. Los cristales fotonicos son estructuras periodicas artificiales capaces de controlar y confinar la luz de formas sin precedentes. Sin embargo, la produccion de dichas estructuras con grandes superficies y capaces de soportar altas temperaturas sigue siendo una dificil tarea. Este trabajo esta dedicada al estudio de las propiedades de emision termica de estructuras 3D de silicio macroporoso en el rango espectral mid-IR (2-30 m). En particular, este trabajo se enfoca en reducir la elevada emisividad del silicio cristalino. Las muestras estudiadas en este trabajo tienen una periodicidad de 4 m, lo que limitan los resultados obtenidos a la banda del infrarrojo medio, aunque estructuras mucho mas pequenas son tecnologicamente realizables con el metodo de fabricacion utilizado. Hemos demostrado que el silicio macroporoso 3D puede inhibir completamente la emision termica en su superficie. Mas aun, esta banda se puede ajustar en un amplio margen mediante pequenos cambios durante la formacion de los macroporos. Tambien hemos demostrado que tanto el ancho como la frecuencia de la banda de inhibicion se puede doblar mediante la aplicacion de tecnicas de postprocesado adecuadas. Finalmente hemos mostrado que es posible crear bandas de baja emisividad arbitrariamente anchas mediante estructuras macroporosas aperiodicas.

Poliamines en estrès abiòtic i mecanismes moleculars

Les poliamines (PAs) putrescina (Put), espermidina (Spd) i espermina (Spm) són mol•lècules policatiòniques de baix pes molecular, presents en els microorganismes, animals i plantes. Les PAs han estat implicades en diversos processos cel•lulars importants, incloent la resposta de les plantes a l'estrès. No obstant això, el seu mode d'acció està es desconeix. En les plantes, es van acumulant evidències de que les PAs interactuen amb macromolècules i estructures cel•lulars, com ara proteïnes de membrana, i la seva possible participació en transducció de senyals s'ha convertit en una creixent i interessant àrea d'estudi. En aquesta tesi, la possible interacció entre les poliamines i les vies de senyalització de fosfolípids és investigada. Resultats previs, han posat de manifest que alteracions en els nivells endògens de poliamines (PAs), per sobreexpressió gènica o pèrdua de funció de gens de biosíntesi, redueixen o milloren, respectivament, la capacitat de les plantes d'Arabidopsis per tolerar agressions per estrès abiòtic, produint en alguns casos notables alteracions en el desenvolupament. En aquestes plantes amb nivells alterats de PAs s'han detectat canvis importants en l'expressió gènica i s'ha trobat una connexió entre el contingut de PAs ii la biosíntesi / senyalització d'àcid abscísic (ABA). La hipòtesi actual de treball és que aquestes alteracions en l'expressió gènica poden estar mediades, si més no en part, pel catabolisme de PAs, i l’acció directa o indirecta de les espècies reactives d'oxigen (ROS) que se’n deriven.

Nanomotors: new strategies of (bio)sensing based on motion

Nanomotors are nanoscale devices capable of converting energy into movement and forces. Among them, self-propelled nanomotors offer considerable promise for developing new and novel bioanalytical and biosensing strategies based on the direct isolation of target biomolecules or changes in their movement in the presence of target analytes. The mainachievements of this project consists on the development of receptor-functionalized nanomotors that offer direct and rapid target detection, isolation and transport from raw biological samples without preparatory and washing steps. For example, microtube engines functionalized with aptamer, antibody, lectin and enzymes receptors were used for the direct isolation of analytes of biomedical interest, including proteins and whole cells, among others. A target protein was also isolated from a complex sample by using an antigen-functionalized microengine navigating into the reservoirs of a lab-on-a-chip device. The new nanomotorbased target biomarkers detection strategy not only offers highly sensitive, rapid, simple and low cost alternative for the isolation and transport of target molecules, but also represents a new dimension of analytical information based on motion. The recognition events can be easily visualized by optical microscope (without any sophisticated analytical instrument) to reveal the target presence and concentration. The use of artificial nanomachines has shown not only to be useful for (bio)recognition and (bio)transport but also for detection of environmental contamination and remediation. In this context, micromotors modified with superhydrophobic layer demonstrated that effectively interacted, captured, transported and removed oil droplets from oil contaminated samples. Finally, a unique micromotor-based strategy for water-quality testing, that mimics live-fish water-quality testing, based on changes in the propulsion behavior of artificial biocatalytic microswimmers in the presence of aquatic pollutants was also developed. The attractive features of the new micromachine-based target isolation and signal transduction protocols developed in this project offer numerous potential applications in biomedical diagnostics, environmental monitoring, and forensic analysis.

CAV2 vector gene transfer into central nervious System

Estudi realitzat a partir d’una estada al Institut de Génétique Moléculaire de Montpellier, França, entre 2010 i 2012. En aquest projecte s’ha avaluat les avantatges dels vectors adenovirals canins tipus 2 (CAV2) com a vectors de transferència gènica al sistema nerviós central (SNC) en un model primat no-humà i en un model caní del síndrome de Sly (mucopolisacaridosis tipus 7, MPS VII), malaltia monogènica que cursa amb neurodegeneració. En una primera part del projecte s’ha avaluat la biodistribució, l’eficàcia i la durada de l’expressió del transgen en un model primat no humà, (Microcebus murinus). Com ha vector s’ha utilitzat un CAV2 de primera generació que expressa la proteïna verda fluorescent (CAVGFP). Els resultats aportats en aquesta memòria demostren que en primats no humans, com en d’altres espècies testades anteriorment per l’equip de l’EJ Kremer, la injecció intracerebral de CAV2 resulta en una extensa transducció del SNC, siguent les neurones i els precursors neuronals les cèl•lules preferencialment transduïdes. Els vectors canins, servint-se de vesícules intracel•lulars són transportats, majoritàriament, des de les sinapsis cap al soma neuronal, aquest transport intracel•lular permet una extensa transducció del SNC a partir d’una única injecció intracerebral dels vectors virals. En una segona part d’aquest projecte s’ha avaluat l’ús terapèutic dels CAV2. S’ha injectat un vector helper-dependent que expressa el gen la b-glucuronidasa i el gen de la proteïna verda fluorescent (HD-RIGIE), en el SNC del model caní del síndrome de Sly (MPS VII). La biodistribució i la eficàcia terapèutica han estat avaluades. Els nivells d’activitat enzimàtica en animals malalts injectats amb el vector terapèutic va arribar a valors similars als dels animals no afectes. A més a més s’ha observat una reducció en la quantitat dels GAGs acumulats en les cèl•lules dels animals malalts tractats amb el vector terapèutic, demostrant la potencialitat terapèutica dels CAV2 per a malalties que afecten al SNC. Els resultats aportats en aquest treball ens permeten dir que els CAV2 són unes bones eines terapèutiques per al tractament de malalties que afecten al SNC.

Knowledge management for systems biology a general and visually driven framework applied to translational medicine

Background: To enhance our understanding of complex biological systems like diseases we need to put all of the available data into context and use this to detect relations, pattern and rules which allow predictive hypotheses to be defined. Life science has become a data rich science with information about the behaviour of millions of entities like genes, chemical compounds, diseases, cell types and organs, which are organised in many different databases and/or spread throughout the literature. Existing knowledge such as genotype - phenotype relations or signal transduction pathways must be semantically integrated and dynamically organised into structured networks that are connected with clinical and experimental data. Different approaches to this challenge exist but so far none has proven entirely satisfactory. Results: To address this challenge we previously developed a generic knowledge management framework, BioXM™, which allows the dynamic, graphic generation of domain specific knowledge representation models based on specific objects and their relations supporting annotations and ontologies. Here we demonstrate the utility of BioXM for knowledge management in systems biology as part of the EU FP6 BioBridge project on translational approaches to chronic diseases. From clinical and experimental data, text-mining results and public databases we generate a chronic obstructive pulmonary disease (COPD) knowledge base and demonstrate its use by mining specific molecular networks together with integrated clinical and experimental data. Conclusions: We generate the first semantically integrated COPD specific public knowledge base and find that for the integration of clinical and experimental data with pre-existing knowledge the configuration based set-up enabled by BioXM reduced implementation time and effort for the knowledge base compared to similar systems implemented as classical software development projects. The knowledgebase enables the retrieval of sub-networks including protein-protein interaction, pathway, gene - disease and gene - compound data which are used for subsequent data analysis, modelling and simulation. Pre-structured queries and reports enhance usability; establishing their use in everyday clinical settings requires further simplification with a browser based interface which is currently under development.

A protocol describing the genetic correction of somatic human cells and subsequent generation of IPS cell

The generation of patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCPSCPSCs) offers unprecedented opportunities for modeling and treating human disease. In combination with gene therapy, the iPSCPSCPSC technology can be used to generate disease-free progenitor cells of potential interest for autologous cell therapy. We explain a protocol for the reproducible generation of genetically corrected iPSCPSCPSCs starting from the skin biopsies of Fanconi anemia patients using retroviral transduction with OCT4, SOX2 and KLF4. Before reprogramming, the fibroblasts and/or keratinocytes of the patients are genetically corrected with lentiviruses expressing FANCA. The same approach may be used for other diseases susceptible to gene therapy correction. Genetically corrected, characterized lines of patient-specific iPSCPSCPSCs can be obtained in 4–5 months.

Generation of induced pluripotent stem cells from human cord blood cells with only two factors:OCT4 and SOX2

Induced pluripotent stem cells (iPSC ) provide an invaluable resource for regenerative medicine as they allow the generationof patient-specific progenitors with potential value for cell therapy. However, in many instances, an off-the-shelf approach isdesirable, such as for cell therapy of acute conditions or when the patient’s somatic cells are altered as a consequence of a chronicdisease or aging. Cord blood (CB) stem cells appear ideally suited for this purpose as they are young cells expected to carryminimal somatic mutations and possess the immunological immaturity of newborn cells; additionally, several hundred thousandimmunotyped CB units are readily available through a worldwide network of CB banks. Here we present a detailed protocol for thederivation of CB stem cells and how they can be reprogrammed to pluripotency by retroviral transduction with only two factors(OCT 4 and SO X2) in 2 weeks and without the need for additional chemical compounds.

The peroxiredoxin Tpx1 is essential as a H202-scavenger during aerobic growth in fission yeast

Peroxiredoxins are known to interact with hydrogen peroxide (H2O2) and to participate in oxidant scavenging, redox signal transduction, and heat-shock responses. The two-cysteine peroxiredoxin Tpx1 of Schizosaccharomyces pombe has been characterized as the H2O2 sensor that transduces the redox signal to the transcription factor Pap1. Here, we show that Tpx1 is essential for aerobic, but not anaerobic, growth. We demonstrate that Tpx1 has an exquisite sensitivity for its substrate, which explains its participation in maintaining low steady-state levels of H2O2. We also show in vitro and in vivo that inactivation of Tpx1 by oxidation of its catalytic cysteine to a sulfinic acid is always preceded by a sulfinic acid form in a covalently linked dimer, which may be important for understanding the kinetics of Tpx1 inactivation. Furthermore, we provide evidence that a strain expressing Tpx1.C169S, lacking the resolving cysteine, can sustain aerobic growth, and we show that small reductants can modulate the activity of the mutant protein in vitro, probably by supplying a thiol group to substitute for cysteine 169.