Estudis dirigits a la síntesi d'un nou compost fotocròmic amb aplicacions en recobriments protectors fotosensibles

Els compostos fotocròmics es caracteritzen per la seva capacitat d’interconvertir-se entre dos estats amb colors diferents en ser sotmesos a irradiació amb llum, motiu pel qual prenen un gran interès en la comunitat científica per les potencials aplicacions que això els confereix. Una d’aquestes aplicacions és la preparació de recobriments protectors fotosensibles que permetin regular òpticament el pas de llum a través d’ells o la reflexió de llum a la seva superfície. Aquest tipus de sistemes poden ser utilitzats com a filtres en dispositius optoelectrònics o recobriments de miralls i lents oftalmològiques. Aquest treball recull els estudis dirigits a la síntesi d’un nou potencial compost fotocròmic per a ser utilitzat en recobriments protectors fotosensibles. Per tal d’obtenir el compost objectiu, s’ha abordat una primera ruta sintètica que ha hagut d’ésser abandonada degut a la molt baixa solubilitat d’un dels intermedis i la dificultat per fer-lo reaccionar que aquest fet comporta. Seguidament s’ha ideat una segona ruta sintètica i s’ha realitzat un extens estudi sobre les condicions de reacció de l’últim pas sintètic. Malauradament, però, no s’ha aconseguit obtenir el compost objectiu.

Automatic generation of active coordinates for quantum dynamics calculations: application to the dynamics of benzene photochemistry

A new practical method to generate a subspace of active coordinates for quantum dynamics calculations is presented. These reduced coordinates are obtained as the normal modes of an analytical quadratic representation of the energy difference between excited and ground states within the complete active space self-consistent field method. At the Franck-Condon point, the largest negative eigenvalues of this Hessian correspond to the photoactive modes: those that reduce the energy difference and lead to the conical intersection; eigenvalues close to 0 correspond to bath modes, while modes with large positive eigenvalues are photoinactive vibrations, which increase the energy difference. The efficacy of quantum dynamics run in the subspace of the photoactive modes is illustrated with the photochemistry of benzene, where theoretical simulations are designed to assist optimal control experiments

Exploring unfrequent events with accelerated molecular dynamics simulations: from photochemistry to drug design

La meva incorporació al grup de recerca del Prof. McCammon (University of California San Diego) en qualitat d’investigador post doctoral amb una beca Beatriu de Pinós, va tenir lloc el passat 1 de desembre de 2010; on vaig dur a terme les meves tasques de recerca fins al darrer 1 d’abril de 2012. El Prof. McCammon és un referent mundial en l’aplicació de simulacions de dinàmica molecular (MD) en sistemes biològics d’interès humà. La contribució més important del Prof. McCammon en la simulació de sistemes biològics és el desenvolupament del mètode de dinàmiques moleculars accelerades (AMD). Les simulacions MD convencionals, les quals estan limitades a l’escala de temps del nanosegon (~10-9s), no son adients per l’estudi de sistemes biològics rellevants a escales de temps mes llargues (μs, ms...). AMD permet explorar fenòmens moleculars poc freqüents però que son clau per l’enteniment de molts sistemes biològics; fenòmens que no podrien ser observats d’un altre manera. Durant la meva estada a la “University of California San Diego”, vaig treballar en diferent aplicacions de les simulacions AMD, incloent fotoquímica i disseny de fàrmacs per ordinador. Concretament, primer vaig desenvolupar amb èxit una combinació dels mètodes AMD i simulacions Car-Parrinello per millorar l’exploració de camins de desactivació (interseccions còniques) en reaccions químiques fotoactivades. En segon lloc, vaig aplicar tècniques estadístiques (Replica Exchange) amb AMD en la descripció d’interaccions proteïna-lligand. Finalment, vaig dur a terme un estudi de disseny de fàrmacs per ordinador en la proteïna-G Rho (involucrada en el desenvolupament de càncer humà) combinant anàlisis estructurals i simulacions AMD. Els projectes en els quals he participat han estat publicats (o estan encara en procés de revisió) en diferents revistes científiques, i han estat presentats en diferents congressos internacionals. La memòria inclosa a continuació conté més detalls de cada projecte esmentat.

Trocas gasosas de mudas de videira, obtidas por dois porta-enxertos, submetidas à deficiência hídrica

Este trabalho teve como objetivo avaliar o efeito da deficiência hídrica e de dois porta-enxertos nas trocas gasosas de mudas de videira cultivadas em vasos, nas condições de casa de vegetação. Utilizou-se como copa a 'Niágara Rosada' (Vitis labrusca), e como porta-enxertos, o 101-14 (V. riparia) e o 1103 Paulsen (V. rupestris x V. berlandieri). Doze dias após a suspensão da rega, o potencial hídrico foliar da combinação 'Niágara Rosada'/101-14 apresentou os menores valores (-2,80 MPa) em relação à 'Niágara Rosada'/1103 Paulsen (-2,10 MPa) nas plantas não-irrigadas, enquanto o teor relativo de água variou apenas entre os tratamentos hídricos. Com a evolução do estresse hídrico, houve uma sensível redução nas trocas gasosas da cultivar 'Niágara Rosada', que apresentaram valores próximos de zero, devido ao fechamento dos estômatos, sem diferenças entre os porta-enxertos. Somente após 12 dias sem rega, os porta-enxertos influenciaram a eficiência no uso da água e eficiência fotoquímica do fotossistema II, onde a 'Niágara Rosada' enxertada sobre o 101-14 apresentou valores inferiores ao 1103 Paulsen. Entretanto, durante o período de suspensão da rega, os porta-enxertos não influenciaram as trocas gasosas da cultivar 'Niágara Rosada', e apresentaram comportamento semelhante em condições de baixa disponibilidade hídrica.

Fluxo de seiva e fotossíntese em laranjeira 'Natal' com clorose variegada dos citros

O objetivo deste trabalho foi avaliar os efeitos da clorose variegada dos citros (CVC), no fluxo de seiva, trocas gasosas e atividade fotoquímica em laranjeira 'Natal', com e sem CVC, em condição de campo. O curso diário do fluxo de seiva, potencial da água na folha, assimilação de CO2, transpiração, condutância estomática e eficiência quântica máxima e efetiva do fotossistema II foram avaliados. O delineamento experimental foi em blocos ao acaso com cinco repetições. O fluxo de seiva foi 1,9 vez superior nas plantas sadias em relação às doentes. Em plantas doentes ocorreu queda de 43, 28 e 33% na assimilação de CO2, condutância estomática e transpiração, respectivamente. As plantas com CVC apresentaram fotoinibição dinâmica. Uma vez que a eficiência quântica efetiva apresentou um padrão de resposta semelhante, durante o dia, em ambos os tratamentos, o efeito protetor da fotorrespiração no aparato fotoquímico em plantas com CVC é discutido. As quedas de assimilação de CO2, transpiração e de fluxo de seiva, nas plantas com CVC, foram decorrentes do menor valor da condutância estomática, possivelmente causado pela colonização dos vasos do xilema pela Xylella fastidiosa.

Fotossíntese e fotoinibição em mogno e acariquara em função da luminosidade e temperatura foliar

A fotoinibição pode ser intensificada por fatores de estresse como alta temperatura. O objetivo deste trabalho foi determinar os efeitos da luminosidade e temperatura na fotossíntese e na recuperação da fotoinibição sob baixa irradiância em mogno (Swietenia macrophylla King) e acariquara (Minquartia guianensis Aubl.). As plantas cresceram sob baixa irradiância: 0,20 (acariquara) e 1,43 mol m-2 dia-1 (mogno). A fotossíntese líquida e as características da fluorescência foram avaliadas em duas irradiâncias, 1.000 e 1.700 mmol m-2 s-1 , e duas temperaturas foliares, 32 e 38ºC. A 32ºC, a fotossíntese máxima (Amáx) foi maior em mogno do que em acariquara. Em mogno, a exposição a 38ºC causou redução gradativa na fotossíntese, sendo a taxa fotossintética após 50 min similar à encontrada em acariquara. A 32ºC, o aumento na irradiância, de 1.000 para 1.700 mmol m-2 s-1 , intensificou a fotoinibição, mas Amáx não foi alterada. Em 1.700 mmol m-2 s-1, o aumento da temperatura, de 32 para 38ºC, não afetou a fotoinibição. Após 72 horas em baixa irradiância, a recuperação da fotoinibição foi de 80% em acariquara e 89% em mogno. Não houve efeito da temperatura da folha na fotoinibição.

Variação da temperatura do substrato e fotossíntese em mudas de laranjeira 'Valência'

O objetivo deste trabalho foi avaliar a influência da temperatura do substrato nas trocas gasosas, atividade fotoquímica e relações hídricas, em plantas jovens de laranjeira 'Valência' enxertadas sobre limoeiro 'Cravo'. Foram utilizadas mudas com seis meses de idade. O experimento foi conduzido em câmara de crescimento, em que o substrato foi mantido a 10, 20 (controle) ou 30oC, e a temperatura do ar variou de 25 a 20oC entre o dia e a noite, com fotoperíodo de 12 horas e densidade de fluxo de fótons fotossinteticamente ativos de 800 µmol m-2 s-1. Mediu-se, em cada tratamento, a assimilação de CO2 em resposta à concentração de CO2 no mesofilo, a fluorescência da clorofila a e o potencial da água na folha às 6 e às 13h. A temperatura de 30oC promoveu aumento na assimilação de CO2, em razão de fatores difusivos e metabólicos, tendo-se observado aumento na eficiência máxima de carboxilação (Vc, máx), na regeneração da ribulose-1,5-bisfosfato, (Jmáx) e nas condutâncias estomática (gs) e do mesofilo (gi), em relação à temperatura controle. A menor temperatura causou aumento do dreno alternativo de elétrons e queda da assimilação de CO2, em consequência de limitações difusivas e metabólicas, evidenciadas por decréscimos em gs, gi, Vc, máx e Jmáx.

Fotossíntese, relações hídricas e crescimento de cafeeiros jovens em relação à disponibilidade de fósforo

O objetivo deste trabalho foi avaliar de que maneira a alta disponibilidade de fósforo no solo afeta a fotossíntese e o crescimento de mudas de cafeeiro arábica (Coffea arabica). Mudas da cultivar Ouro Verde com aproximadamente quatro meses de idade, cultivadas com boa disponibilidade hídrica, foram submetidas a três tratamentos quanto à disponibilidade de fósforo: quantidade recomendada de P, na literatura (PA); duas vezes a dosagem utilizada em PA (P+); e sem adição de P ao solo (P-). Após 70 dias da aplicação dos tratamentos, foram avaliados: as trocas gasosas, a atividade fotoquímica, o potencial de água da folha, a condutância hidráulica da planta (K L), a partição de matéria seca na planta, os teores de pigmentos e carboidratos, e a composição química das folhas. O tratamento P- influenciou negativamente a fotossíntese, e levou à restrição do crescimento das plantas. As plantas do tratamento P+ apresentaram maior teor foliar de P (~1,9 g kg-1), com incrementos na assimilação de CO2, na eficiência instantânea de carboxilação e na atividade fotoquímica - maior eficiência do fotossistema II e maior transporte aparente de elétrons - em relação às plantas do tratamento PA. Houve aumento em K L, maior teor de carboidratos foliares e maior teor de clorofila nas plantas que receberam o dobro da dose recomendada de P, as quais apresentaram maior produção de matéria seca em relação às de PA e P-.

Avaliação da sensibilidade da goiabeira 'Pedro Sato' ao ozônio

O objetivo deste trabalho foi avaliar a sensibilidade da goiabeira 'Pedro Sato' ao ozônio (O3), em comparação à cultivar Paluma, descrita como sensível. Oito plantas de cada cultivar foram submetidas separadamente a ar filtrado e a ar filtrado + O3, cinco horas por dia, durante quatro dias. Foram avaliadas fotossíntese (Asat), injúrias foliares visíveis e concentração de antocianinas e taninos. Plantas das duas cultivares também foram expostas, durante três meses, a condições ambientais em local contaminado por O3, tendo-se avaliado fotossíntese, injúrias foliares e crescimento. Plantas fumigadas com O3 apresentaram redução de Asat e da atividade fotoquímica, além de manifestação de injúrias foliares. 'Paluma' apresentou maior redução de Asat, injúrias foliares mais severas e redução de taninos. Quando exposta ao ambiente contaminado, 'Paluma' apresentou trocas gasosas mais altas, mas apresentou redução de Asat 30 dias antes que 'Pedro Sato'. O crescimento não foi afetado em 'Pedro Sato', cujas injúrias foliares tiveram menor incidência, severidade e precocidade do que em 'Paluma'. A menor taxa de crescimento de 'Paluma' indica maior sensibilidade ao O3. Apesar de responder com menor intensidade ao estresse induzido pelo O3, a cultivar Pedro Sato não pode ser considerada tolerante, pois apresenta danos fotoquímicos, injúrias foliares e alterações nos conteúdos de metabólitos secundários quando exposta a esse poluente.

Atividade da redutase do nitrato e fluorescência da clorofila a em mamoeiro

O objetivo do presente trabalho foi correlacionar a atividade da redutase do nitrato e a eficiência fotoquímica máxima do fotossistema II (FSII), expressa pela razão F V/F M (F V = fluorescência variável e F M = fluorescência máxima), em mamoeiro (Carica papaya L.) cv. Tainung 01 e Sunrise Solo 72/12 em condições de campo. O potencial fotoquímico do FSII foi medido in situ em folhas adaptadas ao escuro. Depois, nas mesmas folhas, foi medida a atividade da enzima. Não houve diferença significativa entre a eficiência fotoquímica máxima do FSII entre as cultivares Tainung 01 e Sunrise Solo 72/12, porém a atividade da redutase do nitrato foi notoriamente maior na primeira. A atividade da redutase do nitrato foi altamente correlacionada à eficiência fotoquímica máxima do FS II tanto na cv. Tainung 01 (coeficiente de correlação r= 0,740 e coeficiente de determinação r²= 0,706) quanto na Sunrise Solo 72/12 (coeficiente de correlação r= 0,960 e coeficiente de determinação r²= 0,945). Esses resultados sugerem que há uma correlação entre a fluorescência da clorofila a e a atividade da redutase do nitrato nessas plantas.

Fluorescência e teores de clorofilas em abacaxizeiro cv. pérola submetido a diferentes concentrações de sulfato de amônio

O presente trabalho teve como objetivo a análise da emissão da fluorescência da clorofila a e dos teores de clorofilas em plantas de Ananas comosus (L. Merril) cv pérola, cultivadas em casa de vegetação, submetidas a quatro concentrações de nitrogênio por adição ou não de sulfato de amônio, de acordo com os seguintes tratamentos: Tº= 0 T1/2 = 15; T1 = 30; e T2 = 60 mg/kg solo. As determinações de fluorescência mínima (F0), máxima (Fm), variável (Fv), terminal (Ft) e da eficiência fotoquímica máxima (Fv/Fm) de folhas adaptadas ao escuro foram realizadas ao longo do dia, aos cinco dias após a segunda aplicação de sulfato de amônio, efetuada 120 dias após o transplantio. A adição de sulfato de amônio afetou a fluorescência variável e a máxima, mas não afetou a fluorescência mínima, a terminal nem a eficiência fotoquímica. Houve diferenças significativas entre os valores das variáveis da fluorescência ao longo do dia em que foram feitas as leituras. Houve diferenças nos teores de clorofilas foliares, em função das concentrações de sulfato de amônio aplicadas, com aumento para clorofila a e para a relação clorofila a/b, mas não para clorofila b.

Eficiência fotossintética e crescimento de genótipos de abacaxizeiro cultivados in vitro em diferentes qualidades de luz, tipos de frasco de cultivo e concentrações de sacarose

Foram otimizados os protocolos de micropropagação das cultivares de abacaxizeiro 'Vitória' e 'IAC Fantástico', bem como as respostas fotossintéticas e de crescimento destes genótipos à alteração do ambiente de cultivo in vitro. Para as duas cultivares, os tratamentos foram dispostos em DIC, com seis repetições e cinco plantas por repetição, em um esquema de parcelas subsubdivididas, constituídas de qualidade de luz (branca e vermelha), tipo de frasco de cultivo (fechado e ventilado) e concentração de sacarose no meio de cultivo (15 e 30 g L-1). A avaliação foi feita após 40 dias de cultivo in vitro. Nas condições deste estudo, não houve assimilação fotossintética do carbono. Essa não assimilação foi associada ao comprometimento bioquímico e sem comprometimento na eficiência fotoquímica. A presença da sacarose pode ser considerada o fator responsável pela não assimilação do CO2. Em comparação à cv. IAC Fantástico, a cv. Vitória apresentou maior crescimento devido à maior absorção de carbono via sacarose adicionada ao meio de cultivo.

Photocatalytic Activity of Nanostructured Anatase Coatings Obtained by Cold Gas Spray

This article describes a photocatalytic nanostructured anatase coating deposited by cold gas spray (CGS)supported on titanium sub-oxide (TiO22x) coatings obtained by atmospheric plasma spray (APS) onto stainless steel cylinders. The photocatalytic coating was homogeneous and preserved the composition and nanostructure of the starting powder. The inner titanium sub-oxide coating favored the deposition of anatase particles in the solid state. Agglomerated nano-TiO2 particles fragmented when impacting onto the hard surface of the APS TiO22x bond coat. The rough surface provided by APS provided an ideal scenario for entrapping the nanostructured particles, which may be adhered onto the bond coat due to chemical bonding; a possible bonding mechanism is described. Photocatalytic experiments showed that CGS nano-TiO2 coating was active for photodegrading phenol and formic acid under aqueous conditions. The results were similar to the performance obtained by competitor technologies and materials such as dip-coating P25 photocatalysts. Disparity in the final performance of the photoactive materials may have been caused by differences in grain size and the crystalline composition of titanium dioxide.

Structure and dynamics of the membrane attaching nitric oxide transporter nitrophorin 7

Nitrophorins represent a unique class of heme proteins that are able to perform the delicate transportation and release of the free-radical gaseous messenger nitric oxide (NO) in a pH-triggered manner. Besides its ability to bind to phospholipid membranes, the N-terminus contains an additional Leu-Pro-Gly stretch, which is a unique sequence trait, and the heme cavity is significantly altered with respect to other nitrophorins. These distinctive features encouraged us to solve the X-ray crystallographic structures of NP7 at low and high pH and bound with different heme ligands (nitric oxide, histamine, imidazole). The overall fold of the lipocalin motif is well preserved in the different X-ray structures and resembles the fold of other nitrophorins. However, a chain-like arrangement in the crystal lattice due to a number of head-to-tail electrostatic stabilizing interactions is found in NP7. Furthermore, the X-ray structures also reveal ligand-dependent changes in the orientation of the heme, as well as in specific interactions between the A-B and G-H loops, which are considered to be relevant for the biological function of nitrophorins. Fast and ultrafast laser triggered ligand rebinding experiments demonstrate the pH-dependent ligand migration within the cavities and the exit route. Finally, the topological distribution of pockets located around the heme as well as from inner cavities present at the rear of the protein provides a distinctive feature in NP7, so that while a loop gated exit mechanism to the solvent has been proposed for most nitrophorins, a more complex mechanism that involves several interconnected gas hosting cavities is proposed for NP7.

Foliar photochemical processes and carbon metabolism under favourable and adverse winter conditions in a Mediterranean mixed forest, Catalonia (Spain)

Evergreen trees in the Mediterranean region must cope with a wide range of environmental stresses from summer drought to winter cold. The mildness of Mediterranean winters can periodically lead to favourable environmental conditions above the threshold for a positive carbon balance, benefitting evergreen woody species more than deciduous ones. The comparatively lower solar energy input in winter decreases the foliar light saturation point. This leads to a higher susceptibility to photoinhibitory stress especially when chilly (< 12 C) or freezing temperatures (< 0 C) coincide with clear skies and relatively high solar irradiances. Nonetheless, the advantage of evergreen species that are able to photosynthesize all year round where a significant fraction can be attributed to winter months, compensates for the lower carbon uptake during spring and summer in comparison to deciduous species. We investigated the ecophysiological behaviour of three co-occurring mature evergreen tree species (Quercus ilex L., Pinus halepensis Mill., and Arbutus unedo L.). Therefore, we collected twigs from the field during a period of mild winter conditions and after a sudden cold period. After both periods, the state of the photosynthetic machinery was tested in the laboratory by estimating the foliar photosynthetic potential with CO2 response curves in parallel with chlorophyll fluorescence measurements. The studied evergreen tree species benefited strongly from mild winter conditions by exhibiting extraordinarily high photosynthetic potentials. A sudden period of frost, however, negatively affected the photosynthetic apparatus, leading to significant decreases in key physiological parameters such as the maximum carboxylation velocity (Vc,max), the maximum photosynthetic electron transport rate (Jmax), and the optimal fluorometric quantum yield of photosystem II (Fv/Fm). The responses of Vc,max and Jmax were highly species specific, with Q. ilex exhibiting the highest and P. halepensis the lowest reductions. In contrast, the optimal fluorometric quantum yield of photosystem II (Fv/Fm) was significantly lower in A. unedo after the cold period. The leaf position played an important role in Q. ilex showing a stronger winter effect on sunlit leaves in comparison to shaded leaves. Our results generally agreed with the previous classifications of photoinhibition-tolerant (P. halepensis) and photoinhibitionavoiding (Q. ilex) species on the basis of their susceptibility to dynamic photoinhibition, whereas A. unedo was the least tolerant to photoinhibition, which was chronic in this species. Q. ilex and P. halepensis seem to follow contrasting photoprotective strategies. However, they seemed equally successful under the prevailing conditions exhibiting an adaptive advantage over A. unedo. These results show that our understanding of the dynamics of interspecific competition in Mediterranean ecosystems requires consideration of the physiological behaviour during winter which may have important implications for long-term carbon budgets and growth trends.