Protein-based nanodevices for therapeutic applications

Tese de Doutoramento em Biologia Molecular e Ambiental (área de especialização em Biologia Celular e Saúde).

Análise custo-benefício da integração de painéis solares térmicos na reabilitação de um edifício

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Chemical functionalization in bionanoparticles

Dissertação de mestrado em Biofísica e Bionanossistemas

(Nota n.º 2) Fixação do dióxido de carbono e fosforilação em Nitrobacter agilis

1. Intact cells of Nitrobacter agilis fix CO2 during the oxidation of nitrite according to the same pathway found to occur in photosynthesis by higher plants. Activity of carboxidismutase - the crucial enzyme for fixation - was demonstrated in cell free extracts. 2. High energy phosphates (as ATP) are generated during the oxidation of nitrite with an apparent P/O ratio of 0.5.

Fixação do dióxido de carbono por bactérias nitrificantes

During the oxidation of the substrate, both Nitrosomonas and Nitrobacter have part of the energy made available as high energy phosphate, mamely ADP and ATP. This chemical energy is used to fix CO2. The nature of the reducing power is unknown at present. Active cells of Nitrobacter were shown to fix CO2 along the same pathway as found in higher plant photosynthesis. Sonic extracts of Nitrosomonas and Nitrobacter when incubated with NaH14CO3 and cofactors showed two ports of entry of CO2 into organic compounds one being, as expected, the carboxidismutase reaction. On protein basis an equivalent amount of CO2 was, however, incorporated via the oxaloacetic carboxylase reation. It is clear then that both micoorganisms possess typical autotrophic and heterotrophic mechanisms for the fixation of CO2 which is required for the primary synthesis of cell material.

Thickening of phase change materials (PCM) to avoid segregation

Estudi elaborat a partir d’una estada a Çukurova University, Turquia, al juliol del 2006. L’emmagatzematge d’energia tèrmica ha atret interès en aplicacions tèrmiques com l’aigua calenta, la calefacció i l’aire condicionat. Aquests sistemes són útils per corregir la no coincidència entre la oferta i la demanda d’energia. Principalment hi ha dos tipus de sistemes d’emmagatzematge d’energia tèrmica, emmagatzematge amb calor sensible i amb calor latent. L’emmagatzematge amb calor latent és particularment atractiu degut a la seva habilitat de donar una densitat d’emmagatzematge d’energia més alt i la seva característica d’emmagatzemar calor a una temperatura constant corresponent a la temperatura de transició de fase de la substància emmagatzemadora de calor. Les salts hidratades orgàniques tenen certes avantatges com a materials d’emmagatzematge de calor latent sobre els materials orgànics. En canvi, quan les salts hidratades s’utilitzen com a materials de canvi de fase (PCM) apareixen alguns problemes en les aplicacions d’emmagatzematge de calor latent. Aquests són el subrefredament de les salts hidratades quan es congelen degut a les seves dèbils propietats de nucleació, i la separació de fase que hi apareix degut a una fusió incongruent. En aquest estudi, s’estabilitza sal de Glauber (Na2SO4.10H2O) amb diferents concentracions de poliacrilamida i gelatina per prevenir la fusió incongruent. Per prevenir el subrefredament s’utilitza un agent nucleant amb una estructura cristal•lina semblant a la de la sal de Glauber. La capacitat d’emmagatzematge de calor de les mostres de PCM estabilitzades amb diferents concentracions de gels polimèrics es determinen amb DCS i amb el mètode T-history.

Are glutamate and lactate increases ubiquitous to physiological activation? A (1)H functional MR spectroscopy study during motor activation in human brain at 7Tesla.

Recent studies at high field (7Tesla) have reported small metabolite changes, in particular lactate and glutamate (below 0.3μmol/g) during visual stimulation. These studies have been limited to the visual cortex because of its high energy metabolism and good magnetic resonance spectroscopy (MRS) sensitivity using surface coil. The aim of this study was to extend functional MRS (fMRS) to investigate for the first time the metabolite changes during motor activation at 7T. Small but sustained increases in lactate (0.17μmol/g±0.05μmol/g, p<0.001) and glutamate (0.17μmol/g±0.09μmol/g, p<0.005) were detected during motor activation followed by a return to the baseline after the end of activation. The present study demonstrates that increases in lactate and glutamate during motor stimulation are small, but similar to those observed during visual stimulation. From the observed glutamate and lactate increase, we inferred that these metabolite changes may be a general manifestation of the increased neuronal activity. In addition, we propose that the measured metabolite concentration increases imply an increase in ΔCMRO2 that is transiently below that of ΔCMRGlc during the first 1 to 2min of the stimulation.

Influència del context geològic i hidrogeològic en l'eficiència energètica dels sistemes geotèrmics de molt baixa entalpia

L’elevat consum energètic de les societats actuals, així com la impossibilitat de sostenir-lo a llarg termini implica la cerca de noves fonts d’energia. D’aquesta manera, en el camp de la climatització residencial, l’energia geotèrmica de molt baixa entalpia es posiciona com una alternativa als recursos energètics actuals. Així, els primers metres de subsòl presenten una temperatura adequada per al seu aprofitament calorífic, mitjançant els sistemes geotèrmics de bomba de calor. Si bé a nivell energètic, són sistemes, intrínsecament, molt eficients, el seu rendiment pot patir importants variacions davant dels canvis en les condicions del medi geològic i hidrogeològic. Especialment, els col·lectors de calor verticals, treballen, amb freqüència, en el si de les formacions hidrogeològiques. En aquest sentit, els canvis del nivell hidràulic i de la temperatura de l’aigua de l’aqüífer es manifesten amb variacions de la conductivitat tèrmica equivalent i del flux subterrani d’aigua, que alhora, aquestes, es tradueixen en alteracions del flux subterrani de calor. Davant d’aquest fet, l’avaluació quantitativa de l’efecte d’aquestes fluctuacions que es presenta en aquest treball mostra petites variacions del nivell hidràulic i de la temperatura de l’aigua comporten canvis molt notables en l’eficiència dels sistemes verticals de bomba de calor geotèrmica.

Estudi de la configuració magnètica de l'experiment LTP (LISA Technology Package)

La Teoria de la Relativitat General preveu que quan un objecte massiu és sotmès a una certa acceleració en certes condicions ha d’emetre ones gravitacionals. Es tracta d’un tipus d’on altament energètica però que interacciona amb la matèria de manera molt feble i el seu punt d’emissió és força llunyà. Per la qual cosa la seva detecció és una tasca extraordinàriament complicada. Conseqüentment, la detecció d’aquestes ones es creu molt més factible utilitzant instruments situats a l’espai. Amb aquest objectiu, neis la missió LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Es tracta aquesta d’una missió conjunta entre la NASA i l’ESA amb llançament previst per 2020-2025. Per reduir els riscs que comporta una primera utilització de tecnologia no testejada, unit a l’alt cost econòmic de la missió LISA. Aquesta missió contindrà instruments molt avançats: el LTP (LISA Technoplogy Package), desenvolupat per la Unió Europea, que provarà la tecnologia de LISA i el Drag Free flying system, que s’encarregarà de provar una sèrie de propulsors (thrusters) utilitzats per al control d’actitud i posició de satèl•lit amb precisió de nanòmetres. Particularment, el LTP, està composat per dues masses de prova separades per 35 centímetres, i d’un interferòmetre làser que mesura la variació de la distància relativa entre elles. D’aquesta manera, el LTP mesurarà les prestacions dels equips i les possibles interferències que afecten a la mesura. Entre les fonts de soroll es troben, entre d’altres, el vent i pressió de radiació solar, les càrregues electrostàtiques, el gradient tèrmic, les fluctuacions de voltatge o les forces internes. Una de les possibles causes de soroll és aquella que serà l’objecte d’estudi en aquest projecte de tesi doctoral: la presència dintre del LTP de camps magnètics, que exerceixen una força sobre les masses de prova, la seva estimació i el seu control, prenent en compte les caracterírstiques magnètiques de l’experiment i la dinàmica del satèl•lit.

Experimental peripheral arterial disease: new insights into muscle glucose uptake, macrophage, and T-cell polarization during early and late stages.

Peripheral arterial disease (PAD) is a common disease with increasing prevalence, presenting with impaired walking ability affecting patient's quality of life. PAD epidemiology is known, however, mechanisms underlying functional muscle impairment remain unclear. Using a mouse PAD model, aim of this study was to assess muscle adaptive responses during early (1 week) and late (5 weeks) disease stages. Unilateral hindlimb ischemia was induced in ApoE(-/-) mice by iliac artery ligation. Ischemic limb perfusion and oxygenation (Laser Doppler imaging, transcutaneous oxygen pressure assessments) significantly decreased during early and late stage compared to pre-ischemia, however, values were significantly higher during late versus early phase. Number of arterioles and arteriogenesis-linked gene expression increased at later stage. Walking ability, evaluated by forced and voluntary walking tests, remained significantly decreased both at early and late phase without any significant improvement. Muscle glucose uptake ([18F]fluorodeoxyglucose positron emission tomography) significantly increased during early ischemia decreasing at later stage. Gene expression analysis showed significant shift in muscle M1/M2 macrophages and Th1/Th2 T cells balance toward pro-inflammatory phenotype during early ischemia; later, inflammatory state returned to neutrality. Muscular M1/M2 shift inhibition by a statin prevented impaired walking ability in early ischemia. High-energy phosphate metabolism remained unchanged (31-Phosphorus magnetic resonance spectroscopy). Results show that rapid transient muscular inflammation contributes to impaired walking capacity while increased glucose uptake may be a compensatory mechanisms preserving immediate limb viability during early ischemia in a mouse PAD model. With time, increased ischemic limb perfusion and oxygenation assure muscle viability although not sufficiently to improve walking impairment. Subsequent decreased muscle glucose uptake may partly contribute to chronic walking impairment. Early inflammation inhibition and/or late muscle glucose impairment prevention are promising strategies for PAD management.

Visual representation of food in the brain : effects of repeated exposure and gut hormone secretion

The thesis at hand is concerned with the spatio-temporal brain mechanisms of visual food perception as investigated by electrical neuroimaging. Due to the increasing prevalence of obesity and its associated challenges for public health care, there is a need to better understand behavioral and brain processes underlying food perception and food-based decision-making. The first study (Study A) of this thesis was concerned with the role of repeated exposure to visual food cues. In our everyday lives we constantly and repeatedly encounter food and these exposures influence our food choices and preferences. In Study A, we therefore applied electrical neuroimaging analyses of visual evoked potentials to investigate the spatio-temporal brain dynamics linked to the repeated viewing of high- and low-energy food cues (published manuscript: "The role of energetic value in dynamic brain response adaptation during repeated food image viewing" (Lietti et al., 2012)). In this study, we found that repetitions differentially affect behavioral and brain mechanisms when high-energy, as opposed to low-energy foods and non-food control objects, were viewed. The representation of high-energy food remained invariant between initial and repeated exposures indicating that the sight of high-energy dense food induces less behavioral and neural adaptation than the sight of low-energy food and non-food control objects. We discuss this finding in the context of the higher salience (due to greater motivation and higher reward or hedonic valuation) of energy- dense food that likely generates a more mnemonically stable representation. In turn, this more invariant representation of energy-dense food is supposed to (partially) explain why these foods are over-consumed despite of detrimental health consequences. In Study Β we investigated food responsiveness in patients who had undergone Roux-en-Y gastric bypass surgery to overcome excessive obesity. This type of gastric bypass surgery is not only known to alter food appreciation, but also the secretion patterns of adipokines and gut peptides. Study Β aimed at a comprehensive and interdisciplinary investigation of differences along the gut-brain axis in bypass-operated patients as opposed to weight-matched non-operated controls. On the one hand, the spatio-temporal brain dynamics to the visual perception of high- vs. low-energy foods under differing states of motivation towards food intake (i.e. pre- and post-prandial) were assessed and compared between groups. On the other hand, peripheral gut hormone measures were taken in pre- and post-prandial nutrition state and compared between groups. In order to evaluate alterations in the responsiveness along the gut-brain-axis related to gastric bypass surgery, correlations between both measures were compared between both participant groups. The results revealed that Roux-en- Y gastric bypass surgery alters the spatio-temporal brain dynamics to the perception of high- and low-energy food cues, as well as the responsiveness along the gut-brain-axis. The potential role of these response alterations is discussed in relation to previously observed changes in physiological factors and food intake behavior post-Roux-en-Y gastric bypass surgery. By doing so, we highlight potential behavioral, neural and endocrine (i.e. gut hormone) targets for the future development of intervention strategies for deviant eating behavior and obesity. Together, the studies showed that the visual representation of foods in the brain is plastic and that modulations in neural activity are already noted at early stages of visual processing. Different factors of influence such as a repeated exposure, Roux-en-Y gastric bypass surgery, motivation (nutrition state), as well as the energy density of the visually perceived food were identified. En raison de la prévalence croissante de l'obésité et du défi que cela représente en matière de santé publique, une meilleure compréhension des processus comportementaux et cérébraux liés à la nourriture sont nécessaires. En particulier, cette thèse se concentre sur l'investigation des mécanismes cérébraux spatio-temporels liés à la perception visuelle de la nourriture. Nous sommes quotidiennement et répétitivement exposés à des images de nourriture. Ces expositions répétées influencent nos choix, ainsi que nos préférences alimentaires. La première étude (Study A) de cette thèse investigue donc l'impact de ces exposition répétée à des stimuli visuels de nourriture. En particulier, nous avons comparé la dynamique spatio-temporelle de l'activité cérébrale induite par une exposition répétée à des images de nourriture de haute densité et de basse densité énergétique. (Manuscrit publié: "The role of energetic value in dynamic brain response adaptation during repeated food image viewing" (Lietti et al., 2012)). Dans cette étude, nous avons pu constater qu'une exposition répétée à des images représentant de la nourriture de haute densité énergétique, par opposition à de la nourriture de basse densité énergétique, affecte les mécanismes comportementaux et cérébraux de manière différente. En particulier, la représentation neurale des images de nourriture de haute densité énergétique est similaire lors de l'exposition initiale que lors de l'exposition répétée. Ceci indique que la perception d'images de nourriture de haute densité énergétique induit des adaptations comportementales et neurales de moindre ampleur par rapport à la perception d'images de nourriture de basse densité énergétique ou à la perception d'une « catégorie contrôle » d'objets qui ne sont pas de la nourriture. Notre discussion est orientée sur les notions prépondérantes de récompense et de motivation qui sont associées à la nourriture de haute densité énergétique. Nous suggérons que la nourriture de haute densité énergétique génère une représentation mémorielle plus stable et que ce mécanisme pourrait (partiellement) être sous-jacent au fait que la nourriture de haute densité énergétique soit préférentiellement consommée. Dans la deuxième étude (Study Β) menée au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux mécanismes de perception de la nourriture chez des patients ayant subi un bypass gastrique Roux- en-Y, afin de réussir à perdre du poids et améliorer leur santé. Ce type de chirurgie est connu pour altérer la perception de la nourriture et le comportement alimentaire, mais également la sécrétion d'adipokines et de peptides gastriques. Dans une approche interdisciplinaire et globale, cette deuxième étude investigue donc les différences entre les patients opérés et des individus « contrôles » de poids similaire au niveau des interactions entre leur activité cérébrale et les mesures de leurs hormones gastriques. D'un côté, nous avons investigué la dynamique spatio-temporelle cérébrale de la perception visuelle de nourriture de haute et de basse densité énergétique dans deux états physiologiques différent (pre- et post-prandial). Et de l'autre, nous avons également investigué les mesures physiologiques des hormones gastriques. Ensuite, afin d'évaluer les altérations liées à l'intervention chirurgicale au niveau des interactions entre la réponse cérébrale et la sécrétion d'hormone, des corrélations entre ces deux mesures ont été comparées entre les deux groupes. Les résultats révèlent que l'intervention chirurgicale du bypass gastrique Roux-en-Y altère la dynamique spatio-temporelle de la perception visuelle de la nourriture de haute et de basse densité énergétique, ainsi que les interactions entre cette dernière et les mesures périphériques des hormones gastriques. Nous discutons le rôle potentiel de ces altérations en relation avec les modulations des facteurs physiologiques et les changements du comportement alimentaire préalablement déjà démontrés. De cette manière, nous identifions des cibles potentielles pour le développement de stratégies d'intervention future, au niveau comportemental, cérébral et endocrinien (hormones gastriques) en ce qui concerne les déviances du comportement alimentaire, dont l'obésité. Nos deux études réunies démontrent que la représentation visuelle de la nourriture dans le cerveau est plastique et que des modulations de l'activité neurale apparaissent déjà à un stade très précoce des mécanismes de perception visuelle. Différents facteurs d'influence comme une exposition repetee, le bypass gastrique Roux-en-Y, la motivation (état nutritionnel), ainsi que la densité énergétique de la nourriture qui est perçue ont pu être identifiés.

Emissió ràdio a baixa freqüència en fenòmens eruptius i en fonts esteses de raigs gamma d'alta i molt alta energia

La tasca investigadora presentada en aquesta memòria s'ha centrat en les fonts galàctiques de raigs gamma de molt alta energia LS I +61 303, HESS J1708-410 i HESS J1858+020. La primera és una binària de raigs gamma molt estudiada, formada per una estrella massiva i un objecte compacte. S'ha proposat un escenari on l'objecte compacte seria un púlsar jove, i la interacció del seu vent amb el vent de l'estrella generaria els raigs gamma. De totes formes, no s'ha detectat polsos procedents d'aquest putatiu púlsar. L'investigador va realitzar observacions en fase a 1280 MHz amb el radiotelescopi GMRT, sense trobar-hi polsos, cosa que implica un estricte límit superior de 0,38 mJy a la densitat mitjana de flux polsat en un putatiu púlsar amb un període major que 2 mil•lisegons en el sistema binari LS I +61 303. Per altra banda, HESS J1708-410 i HESS J1858+020 són dues fonts esteses de raigs gamma de molt alta energia de les quals no es coneix cap contrapart a d'altres longituds d'ona. L'investigador les va observar amb el GMRT, quatre vegades HESS J1708-410 (dues a 610 MHz i dues a 1400 MHz) i dues vegades HESS J1858+020 (una a cada freqüència). En les imatges realitzades amb aquestes dades no hi ha emissió estesa coincident amb les regions d'emissió de raigs gamma. HESS J1858+020 se solapa parcialment amb una font estesa que podria ser un SNR. De confirmar-se la falta de contrapartida ràdio de HESS J1708-410, estaríem parlant d'un accelerador hadrònic extraordinàriament eficient, d'una classe desconeguda fins ara.

Eliminació autotròfica de nitrogen en una pila biològica (microbial fuel cells )

L’aigua i l’energia formen un binomi indissociable. En relació al cicle de l’aigua, des de fa varies dècades s’han desenvolupat diferents formes per recuperar part de l’energia relacionada amb l’aigua, per exemple a partir de centrals hidroelèctriques. No obstant, l’ús d’aquesta aigua també porta associat un gran consum energètic, relacionat sobretot amb el transport, la distribució, la depuració, etc... La depuració d’aigües residuals porta associada una elevada demanda energètica (Obis et al.,2009). En termes energètics, tot i que la despesa elèctrica d’una EDAR varia en funció de diferents paràmetres com la configuració i la capacitat de la planta, la càrrega a tractar, etc... es podria considerar que el rati mig seria d’ aproximadament 0.5 KWh•m-3.Els principals costos d’explotació estan relacionats tant amb la gestió de fangs (28%) com amb el consum elèctric (25%) (50% tractament biològic). Tot i que moltes investigacions relacionades amb el tractament d’aigua residual estan encaminades en disminuir els costos d’operació, des de fa poques dècades s’està investigant la viabilitat de que l’aigua residual fins i tot sigui una font d’energia, canviant la perspectiva, i començant a veure l’aigua residual no com a una problemàtica sinó com a un recurs. Concretament s’estima que l’aigua domèstica conté 9.3 vegades més energia que la necessària per el seu tractament mitjançant processos aerobis (Shizas et al., 2004). Un dels processos més desenvolupats relacionats amb el tractament d’aigües residuals i la producció energètica és la digestió anaeròbia. No obstant, aquesta tecnologia permet el tractament d’altes càrregues de matèria orgànica generant un efluent ric en nitrogen que s’haurà de tractar amb altres tecnologies. Per altre banda, recentment s’està investigant una nova tecnologia relacionada amb el tractament d’aigües residuals i la producció energètica: les piles biològiques (microbial fuel cells, MFC). Aquesta tecnologia permet obtenir directament energia elèctrica a partir de la degradació de substrats biodegradables (Rabaey et al., 2005). Les piles biològiques, més conegudes com a Microbial Fuel Cells (acrònim en anglès, MFC), són una emergent tecnologia que està centrant moltes mirades en el camp de l’ investigació, i que es basa en la producció d’energia elèctrica a partir de substrats biodegradables presents en l’aigua residual (Logan., 2008). Els fonaments de les piles biològiques és molt semblant al funcionament d’una pila Daniell, en la qual es separa en dos compartiments la reacció d’oxidació (compartiment anòdic) i la de reducció (compartiment catòdic) amb l’objectiu de generar un determinat corrent elèctric. En aquest estudi, bàsicament es mostra la posada en marxa d'una pila biològica per a l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals.

Calculation of correction factors for ionization chamber measurements with small fields in low-density media.

The quantity of interest for high-energy photon beam therapy recommended by most dosimetric protocols is the absorbed dose to water. Thus, ionization chambers are calibrated in absorbed dose to water, which is the same quantity as what is calculated by most treatment planning systems (TPS). However, when measurements are performed in a low-density medium, the presence of the ionization chamber generates a perturbation at the level of the secondary particle range. Therefore, the measured quantity is close to the absorbed dose to a volume of water equivalent to the chamber volume. This quantity is not equivalent to the dose calculated by a TPS, which is the absorbed dose to an infinitesimally small volume of water. This phenomenon can lead to an overestimation of the absorbed dose measured with an ionization chamber of up to 40% in extreme cases. In this paper, we propose a method to calculate correction factors based on the Monte Carlo simulations. These correction factors are obtained by the ratio of the absorbed dose to water in a low-density medium □D(w,Q,V1)(low) averaged over a scoring volume V₁ for a geometry where V₁ is filled with the low-density medium and the absorbed dose to water □D(w,QV2)(low) averaged over a volume V₂ for a geometry where V₂ is filled with water. In the Monte Carlo simulations, □D(w,QV2)(low) is obtained by replacing the volume of the ionization chamber by an equivalent volume of water, according to the definition of the absorbed dose to water. The method is validated in two different configurations which allowed us to study the behavior of this correction factor as a function of depth in phantom, photon beam energy, phantom density and field size.

Search for dark matter using VHE gamma-ray telescopes

One of the unresolved questions of modern physics is the nature of Dark Matter. Strong experimental evidences suggest that the presence of this elusive component in the energy budget of the Universe is quite significant, without, however, being able to provide conclusive information about its nature. The most plausible scenario is that of weakly interacting massive particles (WIMPs), that includes a large class of non-baryonic Dark Matter candidates with a mass typically between few tens of GeV and few TeVs, and a cross section of the order of weak interactions. Search for Dark Matter particles using very high energy gamma-ray Cherenkov telescopes is based on the model that WIMPs can self-annihilate, leading to production of detectable species, like photons. These photons are very energetic, and since unreflected by the Universe's magnetic fields, they can be traced straight to the source of their creation. The downside of the approach is a great amount of background radiation, coming from the conventional astrophysical objects, that usually hides clear signals of the Dark Matter particle interactions. That is why good choice of the observational candidates is the crucial factor in search for Dark Matter. With MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescopes), a two-telescope ground-based system located in La Palma, Canary Islands, we choose objects like dwarf spheroidal satellite galaxies of the Milky Way and galaxy clusters for our search. Our idea is to increase chances for WIMPs detection by pointing to objects that are relatively close, with great amount of Dark Matter and with as-little-as-possible pollution from the stars. At the moment, several observation projects are ongoing and analyses are being performed.