Aplicació de l'enzim piruvat descarboxilasa en un sistema multienzimàtic de captura i conversió del co2 per a la síntesi d'àcid làctic i en un sistema multienzimàtic per a la síntesi d'acetoïna com a producte bio-basat

La biocatàlisi és una tecnologia que permet la biotransformació de substrats a productes de forma sostenible i respectuosa amb el medi ambient. Aquest fet és reconegut per la conformitat en 10 dels 12 principis de la química verda, que busca la implantació de processos sostenibles i menys contaminants. En la present tesi doctoral s'utilitza un enzim anomenat piruvat descarboxilasa, aprofitant la peculiaritat d'aquest enzim de catalitzar tant una reacció de carboxilació com una reacció de carbolligació, per al desenvolupament de dos sistemes multienzimàtics: Un sistema multienzimàtic com a tecnologia CCU per a la síntesi d'àcid làctic a partir de CO2, mitjançant una carboxilació catalitzada per la PDC i ii) un sistema multienzimàtic per a la síntesi d'un compost bio-basat, l'acetoïna, a partir d'etanol mitjançant una carbolligació catalitzada per la PDC. En la primera part de la tesi es duu a terme la producció dels enzims necessaris per als estudis de les reaccions (alcohol deshidrogenasa de S. cerevisiae (ScADH), piruvat descarboxilasa de S. cerevisiae (ScPDC) i lactat deshidrogenasa de T. maritima (TmLDH)) a través d'un cultiu fed-batch assolint altes densitats cel·lulars. Posteriorment, es duu a terme la purificació dels enzims piruvat descarboxilasa de Z. palmae (ZpPDC), ScADH, ScPDC, TmLDH i NADH oxidasa de S. pyogenes (SpNOX), aplicant millores al procés de purificació per cromatografia d'afinitat o d'intercanvi aniònic per tal d'incrementar el rendiment de purificació. La liofilització dels enzims s'aconsegueix amb un rendiment suficient per satisfer les necessitats d'enzims, i la qual permet l'emmagatzematge a llarg termini dels biocatalitzadors. En la segona part d'aquesta tesi, es desenvolupa el sistema multienzimàtic com a estratègia de captura i conversió del CO2 (CCU) per a la síntesi d'àcid làctic a partir de CO2 i etanol en el marc del projecte europeu BIOCON-CO2. Aquest sistema, el qual incorpora un sistema intern de regeneració del cofactor, està format pels enzims alcohol deshidrogenasa, piruvat descarboxilasa i lactat deshidrogenasa, en el qual la PDC catalitza la carboxilació de l'acetaldehid a àcid pirúvic. Aquest sistema presenta una limitació important en el pas de carboxilació, de tal manera que s'estudien diferents estratègies des de l'optimització de les quantitats i proporcions dels enzims, fins a l'enginyeria del medi de reacció, aconseguint obtenir 250 [Mu]M d'àcid làctic, la concentració més alta obtinguda per aquest sistema fins al moment. I, per primera vegada, també es posa a prova el sistema utilitzant un gas sintètic que imita la composició d'un gas de sortida dels alts forns de la indústria metal·lúrgica, assolint una concentració d'àcid làctic de 69 [Mu]M. La immobilització dels enzims en diferents suports indica que el millor suport és la Ni2+-IDA-agarosa, amb el qual es duu a terme la reacció en cicles, obtenint un rendiment similar a quan s'utilitzen els enzims solubles. En la tercera part d'aquesta tesi es desenvolupa el segon sistema multienzimàtic plantejat com a estratègia de síntesi d'un producte bio-basat, l'acetoïna, a partir d'etanol. En aquest cas el sistema consta d'alcohol deshidrogenasa, piruvat descarboxilasa i NADH oxidasa, on la PDC catalitza la reacció de carbolligació de dues molècules d'acetaldehid. A més, la NADH oxidasa permet la regeneració del cofactor. Els estudis de les reaccions involucrades permeten determinar les millors condicions de reacció, mitjançant l'ajust en les proporcions dels enzims, i determinant que la purificació dels enzims és essencial per evitar reaccions secundàries que provoquen el consum del intermedis de reacció, aconseguint la conversió completa (100%) a partir de 50 mM d'etanol en les millors condicions estudiades. Finalment, s'aconsegueix millorar l'eficiència de la regeneració del cofactor mitjançant l'ajust de la concentració de cofactor, millorant el nombre de recanvi de 5 a 38 mols de producte per mol de cofactor.La biocatálisis es una tecnología que permite la biotransformación sostenible de sustratos en productos. Este hecho es reconocido por la conformidad con 10 de los 12 principios de la química verde, que busca la implementación de procesos sostenibles y menos contaminantes. En la presente tesis doctoral se utiliza una enzima llamada piruvato descarboxilasa, aprovechando la peculiaridad de esta enzima para catalizar tanto una reacción de carboxilación como una reacción de carboligación, para el desarrollo de dos sistemas multienzimáticos: i) un sistema multienzimático como tecnología CCU para la síntesis de ácido láctico a partir de CO2, mediante una carboxilación catalizada por la PDC, y ii) un sistema multienzimático para la síntesis de un compuesto bio-basado, la acetoína, a partir de etanol mediante una carboligación catalizada por la PDC. En la primera parte de la tesis se lleva a cabo la producción de las enzimas necesarias para los estudios de las reacciones (alcohol deshidrogenasa de S. cerevisiae (ScADH), piruvato descarboxilasa de S. cerevisiae (ScPDC) y lactato deshidrogenasa de T. maritima (TmLDH)) a través de un cultivo fed-batch logrando altas densidades celulares. Posteriormente, se realiza la purificación de las enzimas piruvato descarboxilasa de Z. palmae (ZpPDC), ScADH, ScPDC, TmLDH y NADH oxidasa de S. pyogenes (SpNOX), aplicando mejoras al proceso de purificación para aumentar el rendimiento de purificación. La liofilización de las enzimas se logra con un rendimiento suficiente para satisfacer las necesidades de enzimas, lo que permite el almacenamiento a largo plazo de los biocatalizadores. En la segunda parte de esta tesis, se desarrolla el sistema multienzimático como estrategia de captura y conversión del CO2 (CCU) para la síntesis de ácido láctico a partir de CO2 y etanol en el marco del proyecto europeo BIOCON-CO2. Este sistema, que incorpora una regeneración interna de cofactor, está formado por las enzimas alcohol deshidrogenasa, piruvato descarboxilasa y lactato deshidrogenasa, en el cual la PDC cataliza la carboxilación del acetaldehído a ácido pirúvico. Este sistema presenta una limitación en el paso de carboxilación, por lo que se estudian diferentes estrategias desde la optimización de las cantidades y proporciones de enzimas hasta la ingeniería del medio de reacción, logrando obtener 250 [Mu]M de ácido láctico, la concentración más alta obtenida por este sistema hasta el momento. Y, por primera vez, se pone a prueba el sistema utilizando un gas sintético que imita la composición de un gas de salida de los altos hornos de la industria metalúrgica, logrando una concentración de ácido láctico de 69 [Mu]M. La inmovilización de las enzimas en diferentes soportes indica que el mejor soporte es la Ni2+-IDA-agarosa, con el cual se lleva a cabo la reacción en ciclos, obteniendo un rendimiento similar al de los enzimas solubles. En la tercera parte de esta tesis se desarrolla el segundo sistema multienzimático planteado como estrategia de síntesis de un producto bio-basado, la acetoína, a partir de etanol. En este caso, el sistema consta de alcohol deshidrogenasa, piruvato descarboxilasa y NADH oxidasa, donde la PDC cataliza la reacción de carboligación de dos moléculas de acetaldehído. Además, la NADH oxidasa permite la regeneración del cofactor. Los estudios de las reacciones involucradas permiten determinar las mejores condiciones de reacción, mediante el ajuste en las proporciones de los enzimas, y determinando que la purificación de los enzimas evita las reacciones secundarias que provocan el consumo de los intermediarios de reacción, logrando la conversión completa (100%) a partir de 50 mM de etanol en las mejores condiciones estudiadas. Finalmente, se mejora la eficiencia de la regeneración del cofactor mediante el ajuste de su concentración, mejorando el número de recambio de 5 a 38 moles de producto por mol de cofactor.Biocatalysis is a technology that allows the biotransformation of substrates into products in a sustainable and environmentally friendly manner. This fact is recognized by the compliance with 10 out of the 12 principles of green chemistry, which aims to the implementation of sustainable and less contaminating processes. In this doctoral thesis, an enzyme called pyruvate decarboxylase is used, taking advantage of its ability to catalyze both carboxylation and carboligation reactions, for the development of two multienzymatic systems: i) a multienzymatic system as a Carbon Capture and Utilization (CCU) technology for the synthesis of lactic acid from CO2, through PDC-catalyzed carboxylation, and ii) a multienzymatic system for the synthesis of a bio-based compound, acetoin, from ethanol through PDC-catalyzed carboligation. In the first part of the thesis, the production of the necessary enzymes for the reaction studies (S. cerevisiae alcohol dehydrogenase (ScADH), S. cerevisiae pyruvate decarboxylase (ScPDC), and T. maritima lactate dehydrogenase (TmLDH)) is carried out through a fed-batch culture achieving high cell densities. Then, the purification of enzymes such as Z. palmae pyruvate decarboxylase (ZpPDC), ScADH, ScPDC, TmLDH, and S. pyogenes NADH oxidase (SpNOX) is performed, applying improvements to the purification process through affinity or anion exchange chromatography to increase purification yield. Enzyme lyophilization is achieved with sufficient yield to meet enzyme requirements, allowing long-term storage of the biocatalysts. In the second part of this thesis, a multienzymatic system is developed as a Carbon Capture and Utilization (CCU) strategy for the synthesis of lactic acid from CO2 and ethanol within the framework of the European project BIOCON-CO2. This system, which incorporates an internal cofactor regeneration system, consists of alcohol dehydrogenase, pyruvate decarboxylase, and lactate dehydrogenase, where PDC catalyzes the carboxylation of acetaldehyde to pyruvic acid. This system has a significant limitation in the carboxylation step, so various strategies are studied, from optimizing enzyme quantities and proportions to reaction media engineering, achieving a concentration of 250 [Mu]M lactic acid, the highest concentration obtained by this system to date. For the first time, the system is also tested using a synthetic gas that mimics the composition of an off-gas from iron&steel industry blast furnaces, achieving a lactic acid concentration of 69 [Mu]M. Enzyme immobilization on different supports indicates that Ni2+-IDA-agarose is the best support, and the reaction is carried out in cycles, achieving a similar yield to when soluble enzymes are used. In the third part of this thesis, the second multienzymatic system is developed as a strategy for the synthesis of a bio-based product, acetoin, from ethanol. In this case, the system consists of alcohol dehydrogenase, pyruvate decarboxylase, and NADH oxidase, where PDC catalyzes the carboligation reaction of two acetaldehyde molecules. Additionally, NADH oxidase allows cofactor regeneration. Studies of the involved reactions helped to determine the best reaction conditions through enzyme proportions adjustments. It is found that enzyme purification is essential to avoid secondary reactions that consume reaction intermediates, achieving complete conversion (100%) from 50 mM ethanol under the best studied conditions. Finally, the cofactor regeneration efficiency is improved by adjusting the cofactor concentration, increasing the turnover from 5 to 38 moles of product per mole of cofactor

Assessment of bacterial nanocellulose on Caenorhabditis elegans

La vida accelerada de la societat actual ha transformat les nostres dietes, substituint verdures i fruites per un consum excessiu de carn i aliments processats. Al mateix temps, hem reduït l'activitat física, la qual cosa ha portat a un augment en la taxa de sobrealimentació i obesitat als països desenvolupats. A més, les persones amb obesitat també tenen un risc major de patir diabetis, càncer i malalties cardíaques i pulmonars. Les indústries es veuen desafiades a elaborar productes més saludables per demanda del públic i els governs. Així doncs l'OMS recomana augmentar la quantitat de fibra a la nostra dieta per reduir l'impacte de dietes altament calòriques. Amb aquest objectiu d'incrementar el contingut de fibra, s'està considerant enriquir els productes amb fibres dietètiques. Aquestes fibres són polisacàrids que no són digerits ni absorbits pel cos, però tenen un impacte positiu en ell. La cel·lulosa és el polisacàrid més abundant a la terra i pot ser utilitzada com a additiu alimentari. Tradicionalment, s'ha extret de productes vegetals, però ara s'estan investigant noves fonts, com ara bacteris o algues. La nanocel·lulosa bacteriana (BNC) és un exopolisacàrid produït principalment per bacteris gramnegatius. Malgrat ser químicament idèntica a la cel·lulosa produïda per les plantes, la nanocel·lulosa bacteriana presenta propietats úniques de nanoestructura, major capacitat de retenció d'aigua i cristal·linitat. Aquestes característiques han impulsat l'aplicació de la nanocel·lulosa bacteriana en molts camps, com la medicina, l'alimentació, els dispositius electrònics i molts altres. La nanocel·lulosa bacteriana ha estat consumida pels éssers humans durant molt de temps, la qual cosa confirma la seva bioseguretat. A més, se li han atribuït molts efectes beneficiosos, com l'augment de la motilitat intestinal, la reducció de lípids i la regulació de la microbiota intestinal en ratolins. De manera general, la BNC s'incorpora als productes alimentaris en forma de fibres, nanocristalls o pols. La seva escala nanomètrica podria canviar la interacció amb l'organisme en termes de seguretat, però també en termes dels efectes beneficiosos que podria induir. Inicialment, la BNC es va avaluar in vitro en reactors que recreaven la digestió gàstrica i l'entorn intestinal. En aquesta etapa es va detectar la interacció amb molècules específiques en la llum intestinal. En models de rosegadors, la BNC indueix la motilitat intestinal, redueix lípids i modula la microbiota intestinal. S'ha utilitzat amb èxit per bloquejar el dany intestinal causat per dietes altes en calories. No obstant això, la indústria l'utilitza principalment com a substitut de greix, espessidor i reforç d'hidrogels, perquè la interacció amb l'organisme no s'entén completament. En aquesta tesi, avaluem les fibres de BNC (BNCf) a l'organisme model Caenorhabditis elegans per obtenir informació sobre la interacció biològica d'aquesta fibra a nivell d'organisme, teixit i cèl·lules. L'intestí d'aquest nematode s'assembla al de l'esser humà en estructura i funció. A més, aquest model conserva vies metabòliques rellevants que són afectades per les fibres dietètiques, com el metabolisme lipídic. També ampliem l'ús de la plataforma de C. elegans per avaluar nous nanomaterials.La vida acelerada de la sociedad moderna ha transformado nuestras dietas, cambiando verduras y frutas por un consumo excesivo de carne y alimentos procesados. También hemos reducido la actividad física, lo que ha llevado a un aumento en la tasa de sobrealimentación y obesidad en los países desarrollados. Las personas con obesidad también tienen un riesgo mayor de sufrir diabetes, cáncer y enfermedades cardíacas y pulmonares. Las industrias se ven desafiadas a elaborar productos más saludables por la demanda del público y los gobiernos. La OMS recomienda aumentar la cantidad de fibra en nuestra dieta, para reducir el impacto de dietas altamente calóricas. Para ello, se está considerando enriquecer los productos con fibras dietéticas. Estas fibras son polisacáridos que benefician al organismo sin ser digeridas ni absorbidas por el organismo. La celulosa, es el polisacárido más abundante de la tierra y puede ser utilizado como aditivo alimenticio. Tradicionalmente, se han extraído de productos vegetales, pero ahora se están investigando nuevas fuentes, como bacterias o algas. La nanocelulosa bacteriana (BNC) es un exopolisacárido producido principalmente por bacterias gramnegativas. A pesar de ser químicamente idéntica a la celulosa vegetal, la BNC presenta propiedades únicas. Tiene una nanoestructura diferente, mayor porcentaje de cristalinidad y mayor capacidad de retención de agua que la celulosa vegetal. Estas características han impulsado la aplicación de la BNC en muchos campos, como la medicina, la alimentación, los dispositivos eléctricos y muchos otros. Además, la BNC ha sido consumida por los seres humanos durante mucho tiempo, lo que confirma su bioseguridad. Además, se le han atribuido muchos beneficios, como el aumento de la motilidad intestinal, reducción de lípidos y la regulación del microbioma intestinal en ratones. Por lo general, la BNC se incorpora a los productos alimenticios en forma de fibras, nanocristales o polvo. Su escala nanométrica podría cambiar la interacción con el organismo en términos de seguridad, pero también en términos de los efectos beneficiosos que podría inducir. La BNC se ha evaluado in vitro en reactores que recrean la digestión gástrica y el entorno intestinal. Estos experimentos detectaron la interacción con moléculas específicas en el lumen intestinal. En modelos de roedores, se ha visto que la BNC induce la motilidad intestinal, reduce lípidos y modula el microbiota intestinal. Se ha utilizado con éxito para bloquear el daño intestinal causado por dietas altas en calorías en estos modelos. A pesar de estos efectos beneficiosos, la industria la utiliza principalmente como sustituto de grasa, espesante y refuerzo de hidrogeles porque la interacción con el organismo no se comprende completamente. En esta tesis, evaluamos las fibras de BNC (BNCf) en el modelo Caenorhabditis elegans para obtener información sobre la interacción biológica de esta fibra a nivel de organismo, tejido y células. El intestino de este nematodo se asemeja al de los humanos en estructura y función. Además, este modelo conserva vías metabólicas relevantes que son afectadas por las fibras dietéticas, como el metabolismo lipídico. También extendemos el uso de la plataforma de C. elegans para evaluar nuevos nanomaterialesThe fast-paced life of our modern age has reshaped our diets, shifting them from vegetables and fruits to an overconsumption of meat and processed food. At the same time, we reduced physical activity, leading to an increased rate of overnutrition and obesity in developed countries. People who have obesity also have a higher risk of suffering from diabetes, cardiac and pulmonary disease, and developing cancer. Industries are challenged to produce healthier products due to the requests by the public and governments. The WHO recommends raising the amount of fiber in our diet. Therefore, many sources of dietary fibers are being investigated. Dietary fibers are polysaccharides that are not digested nor absorbed by the organism but positively impact it. Cellulose is the most abundant polysaccharide in the world and could be used as an additive in the food industry. Traditionally, cellulose has been extracted from vegetal products, but new sources, such as bacteria or algae, are now being investigated. Bacterial nanocellulose is an exopolysaccharide mainly produced by gram-negative bacteria. Despite being chemically identical to cellulose produced by plants, bacterial nanocellulose presents unique nanostructure, water-holding capacity, and crystallinity properties. These characteristics have propelled the application of bacterial nanocellulose in many fields, such as medicine, food, energy devices, and many others. Bacterial nanocellulose has been consumed by humans for an extended period, confirming its biosafety. In addition, many beneficial effects have been related to this polysaccharide, for example, increasing intestinal motility, lipid-lowering effect, and regulation of mice microbiome. Usually, bacterial nanocellulose is incorporated into food products in fibers, nanocrystals, or powder. Their nanoscale could change the interaction with the organism in terms of safety but also in terms of the beneficial effects that it could induce. Therefore, the nanoscale is the main problem in reaching the market. Bacterial nanocellulose was initially evaluated in vitro in reactors that recreate gastric digestion and the intestinal environment. Interaction with specific molecules in the intestinal lumen was detected at this step. In rodent models, bacterial nanocellulose induces intestinal motility, produces a lipid-lowering effect, and modulates the intestinal gut microbiota. It has been successfully used to block the intestinal damage produced by high-caloric diets. However, the industry uses bacterial nanocellulose mainly as a fat replacement, thickener, and reinforcement of current hydrogels in the food. Their beneficial impact on the diet is not entirely exploited, partly because the interaction with the organism is not completely understood. In this thesis, we evaluated bacterial nanocellulose fibers (BNCf) in the model organism Caenorhabditis elegans to give insights into the biological interaction of this fiber at the organism, tissue, and cellular level. The intestine of this nematode resembles the human in structure and function. In addition, relevant metabolic pathways that are affected by dietary fibers are conserved in this model, such as lipid metabolic routes. We also extended the use of the C. elegans platform to evaluate newly designed nanomaterials for nanomedicine

Caracteritzant el potencial educatiu de la ciència ciutadana escolar. Disseny i avaluació d'una seqüència didàctica per a l'aprenentatge del model matèria a secundària

La present tesi doctoral explora com són les iniciatives de ciència ciutadana que es duen a terme en contextos d'educació formal amb la finalitat d'aportar al coneixement sobre el potencial educatiu d'aquestes propostes per a l'aula de ciències de secundària. En concret, aquesta tesi s'estructura mitjançant dos estudis que inclouen les diferents publicacions que formen part d'aquest compendi. L'Estudi 1 té per objectiu caracteritzar com són les iniciatives de ciència ciutadana que s'estan duent a terme en context escolar a partir d'una revisió sistemàtica de la literatura. Per aquesta caracterització s'han definit quatre dimensions clau que, combinades, ens han permès definir quatre perfils d'iniciatives de ciència ciutadana en context escolar. Alhora, a partir de la gradació en nivells d'aquestes dimensions, s'ha avaluat la qualitat de les iniciatives en relació amb el seu potencial educatiu per a l'aula de ciències. Dins d'aquest primer estudi, també s'han aplicat les eines dissenyades pel cas d'una iniciativa de ciència ciutadana en context escolar concreta: el 'Projecte Atenció', sobre el que s'aprofundirà en la seva dimensió educativa en el segon estudi de la tesi. L'Estudi 2 aprofundeix en el disseny i avaluació de la Seqüència d'Ensenyament i Aprenentatge (SEA) que acompanyava el 'Projecte Atenció'. Aquesta SEA estava centrada en l'ensenyament i aprenentatge del model matèria en el fenomen de la contaminació atmosfèrica, i adreçada a alumnat de 3r d'ESO. Així, en primer lloc, s'ha descrit quin ha sigut el procés de disseny i s'han definit els principis, elements i eines que han guiat el disseny de la SEA. En segon lloc, s'ha avaluat la confiabilitat d'aquesta SEA en termes de la millora de les idees de l'alumnat en relació amb aquest model. Això ens ha permès fer aportacions en relació amb com progressen les idees de l'alumnat en relació amb l'estructura i la natura de la matèria en diferents escales (macro, meso i submicro). A part dels articles de recerca que conformen el compendi de publicacions, en aquesta tesi també s'han elaborat, i s'inclouen en aquest document, diferents productes de recerca amb l'objectiu d'oferir eines i recursos per al professorat.La presente tesis doctoral explora cómo son las iniciativas de ciencia ciudadana que se llevan a cabo en contextos de educación formal con el fin de contribuir al conocimiento sobre el potencial educativo de estas propuestas para el aula de ciencias de secundaria. En concreto, esta tesis se estructura mediante dos estudios que incluyen las diferentes publicaciones que forman parte de este compendio. El Estudio 1 tiene como objetivo caracterizar cómo son las iniciativas de ciencia ciudadana que se están llevando a cabo en contexto escolar a partir de una revisión sistemática de la literatura. Para esta caracterización, se han definido cuatro dimensiones clave que, combinadas, nos han permitido definir cuatro perfiles de iniciativas de ciencia ciudadana en contexto escolar. Asimismo, a partir de la gradación en niveles de estas dimensiones, se ha evaluado la calidad de las iniciativas en relación con su potencial educativo para el aula de ciencias. Dentro de este primer estudio, también se han aplicado las herramientas diseñadas para el caso de una iniciativa de ciencia ciudadana en contexto escolar específico: el 'Proyecto Atención', sobre el cual se profundizará en su dimensión educativa en el segundo estudio de la tesis. El Estudio 2 profundiza en el diseño y evaluación de la Secuencia de Enseñanza y Aprendizaje (SEA) que acompañaba al 'Projecte Atenció'. Esta SEA estaba centrada en la enseñanza y aprendizaje del modelo de materia en el fenómeno de la contaminación atmosférica, dirigida a estudiantes de 3º de ESO. Así, en primer lugar, se ha descrito cuál ha sido el proceso de diseño y se han definido los principios, elementos y herramientas que han guiado el diseño de la SEA. En segundo lugar, se ha evaluado la confiabilidad de esta SEA en términos de la mejora de las ideas de los estudiantes en relación con este modelo. Esto nos ha permitido hacer aportaciones en relación con cómo progresan las ideas de los estudiantes en relación con la estructura y la naturaleza de la materia en diferentes escalas (macro, meso y submicro). Además de los artículos de investigación que conforman el compendio de publicaciones, en esta tesis también se han elaborado, y se incluyen en este documento, diferentes productos de investigación con el objetivo de ofrecer herramientas y recursos para el profesorado.This doctoral thesis explores the nature of citizen science initiatives carried out in formal education contexts with the aim of contributing to the understanding of the educational potential of these proposals for secondary science classrooms. Specifically, this thesis is structured through two studies that include all the papers that form this compendium. Study 1 aims to characterize citizen science initiatives taking place in school contexts through a systematic literature review. Four key dimensions have been defined for this characterization, and their combination has allowed us to delineate four profiles of citizen science initiatives in the school context. Additionally, by grading these dimensions, the quality of initiatives has been assessed in relation to their educational potential for science classrooms. Within this first study, the tools designed have also been applied for a specific citizen science initiative in the school context, the 'Projecte Atenció'. The educational dimension of this initiative will be further explored in the second study of the thesis. Study 2 delves into the design and evaluation of the Teaching and Learning Sequence (TLS) included in the 'Projecte Atenció.' This TLS focused on teaching and learning the model of structure of matter in the phenomenon of air pollution, and targeting 14-15-year-old students. Firstly, the design process has been described, outlining the principles, elements, and tools guiding the TLS design. Secondly, the reliability of this TLS has been evaluated in terms of the improvement of the students' ideas regarding this model. This has allowed contributions on how students' ideas progress concerning the structure and nature of matter across different scales (macro, meso, and submicro). In addition to the research papers comprising the compendium, this thesis also includes various research products aimed at providing tools and resources for teachers

La prevención del riesgo fiscal y el Brexit

La salida de Reino Unido de la Unión Europea ha puesto de relieve, a tenor de los textos suscritos, la necesidad de preservar los estándares europeos en materia de prevención de riesgo fiscal. Las cláusulas normativas antielusión, la información con función disuasoria, o la calificación y régimen a las jurisdicciones consideradas como no cooperativas, son algunas de sus instituciones más representativas. La finalidad del presente articulo es poner de relieve tales instituciones y su lógica común, tanto desde una perspectiva interna que contemple un sistema coherente como desde la perspectiva externa para establecer su necesidad y exigencia con terceros EstadosThe United Kingdom's exit from the European Union has highlighted, according to the texts signed, the existence of European standards on the prevention of tax risks. Anti-avoidance clauses, information with a dissuasive function or the regime of jurisdictions considered as non-cooperative are some of the most representative institutions. The purpose of this article is to highlight these institutions and their common logic

Utility of the combination of high fluorescence cells and tumor markers for the diagnosis of malignant pleural effusions

Background: New diagnostic tools have emerged to assist the traditional diagnosis of malignant pleural effusion (MPE), such as high fluorescence cells (HFc) and tumor markers (TMs), determined by clinical laboratory automated pleural fluid workup. This study aimed to evaluate the diagnostic ability of the combination of HFc and TMs for diagnosing MPE. Methods: We recruited hospitalized patients with pleural effusion at Parc Taulí University Hospital. We collected and analyzed pleural fluid and serum samples in the clinical laboratory, and we sent a sample of pleural fluid to the Pathology Department for cytology workup. We determined the pleural fluid cell count by Sysmex XN-10 and assessed TMs (CEA, CA19.9, and CA15.3) using the ECLIA Cobas e801 Roche in both pleural fluid and sèrum samples. We established the final MPE diagnosis based on positive cytology and/or positive pleural biopsy. We classified patients based on these final diagnoses and conducted a comparison between variables, along with multivariate logistic regression. Results: The study included 316 pleural effusions from 221 patients recruited. Multivariate logistic regression indicated the most significant predictor variables for MPE were CA15.3 in serum, CEA ratio, and HFc. We calculated two different models: one excluding HFc and one including it, with the latter displaying superior diagnostic ability (area under the curve 0.91). This model could identify 100 % of MPE cases with 30 % specificity at low cut-offs, and higher values could help identify 60 % of MPE cases with 100 % specificity

The nanoparticle-Protein Corona untold history (1907-2007)

Altres ajuts: CERCA Programme/Generalitat de CatalunyaThe adsorption of biomolecules, primarily proteins, on the surfaces of nanoparticles plays a crucial role in elucidating the safe application of nanotechnology, especially in medicine. Termed the "Protein Corona" since 2007, this phenomenon remains of general interest and continues to be subject to intensive research today. Notably, dating back to the XIX century, a large body of early work has addressed the adsorption of proteins onto different surfaces, from colloids to implants. Standing on the shoulders of this historical knowledge could deepen our understanding of the Protein Corona and its biological implications. Herein, we aim to trace the historical trajectory before 2007, combining earlier scientific evidence and findings with contemporary research on the topic. Such insights will contribute to helping and guiding further research into the Protein Corona, thereby accelerating the clinical and societal translation of nanobiotechnology and nanomedicine

Does modernization of irrigation infrastructure create mental accounts? Insights from an exploratory experiment with Spanish water user associations

Nota: Unidad de excelencia María de Maeztu CEX2019-000940-MDespite their potential to conserve water, technological modernization investments that increase the efficiency of irrigation systems rarely result in water savings. On the contrary, they oftentimes increase overall water consumption. An important factor for this outcome is that farmers adapt their behavior to the new technological possibilities. If actual water savings are to be achieved, water conservation policies need to be tailored to the logic adapted by water users. In this study, we investigate the applicability and relevance of mental accounting in agricultural water use. In particular, we test whether farmers' perceptions of water diverge conditional on whether it is supplied naturally or obtained from efficiency gains. We conduct a survey-based experiment among representatives of water user associations in Spain. According to the results, farmers tend to have a stronger sense of ownership over water that is obtained from efficiency increases than over water that origins from natural supply increases; however, they do not intend to use both "types" of water differently. Future policies could strongly benefit from targeting the sense of ownership of higher efficiency gains to achieve water savings. Furthermore, the responsibility of translating efficiency gains into water savings should rather be delegated to water user associations than to individual users

Ecology and processes of mercury detoxifying marine bacteria

El mercuri (Hg) és un metall tòxic i estès a l'ambient. El monometilmercuri (MMHg) és un potent neurotòxic especialment preocupant a causa de la seva bioacumulació a les xarxes tròfiques aquàtiques. En els sistemes aquàtics, el MMHg es forma principalment als sediments per procariotes portadors dels gens hgcAB. La desmetilació de MMHg i la reducció de HgII també ocorren en sediments, realitzades per procariotes amb els gens mer. L'operó mer té dos enzims, MerA (HgII reductasa), que converteix HgII en Hg0, i MerB (organomercuri liasa), que és responsable de la degradació de MMHg a HgII. La metilació ha estat àmpliament estudiada des del descobriment dels gens hgcAB. En canvi, estudiar la desmetilació ambiental del MMHg ha estat molt difícil, per això els principals actors i els factors involucrats en la seva activitat segueixen sent bastant desconeguts. Al primer capítol de la tesi, vaig incubar sediments de la llacuna de Venècia per simular un esdeveniment de tancament de les barreres MOSE a l'estiu i la tardor, per determinar l'impacte de les barreres en la formació de MMHg. A l'estiu, vaig trobar un augment en la concentració de DOC (Carboni Orgànic Dissolt) i un enriquiment de substàncies protèiques i àcids húmics reactius, una concentració més gran de MMHg a l'aigua i majors taxes de metilació en els sediments incubats després de 48h. Tant les altes taxes de metilació com l'augment de les concentracions de MMHg podrien incrementar la bioacumulació a la llacuna. Aquests resultats són particularment preocupants en el context de canvi global en el qual la llacuna es tancarà més sovint durant períodes més prolongats degut a l'augment d'inundacions. A més, l'increment esperat de la temperatura podria augmentar les taxes de formació de MMHg i/o perllongar l'estació càlida durant la qual es forma MMHg. Al capítol 2, combinant dades metagenòmiques i metatranscriptòmiques de sediments, es dóna llum sobre l'ecologia i els trets funcionals dels procariotes que contenen merA i/o merB. Es va reconstruir la col·lecció MERCLUB-MAG (amb 803 MAG) i es van seleccionar els MAG que contenien merAB (45 MAG) per estudiar-ne l'abundància, l'activitat i les capacitats metabòliques. Les principals troballes són que i)merB era més freqüent i actiu que merA, ii)les Gammaproteobacteria eren el tàxon més predominant però hi havia una alta novetat taxonòmica i iii)els MAG que contenien merAB tenien metabolismes molt diversos. Paral·lelament es va obtenir la col·lecció de cultius MERCLUB amb la intenció de trobar el millor candidat per utilitzar en bioremediació. Inicialment, vaig triar 46 aïllats per a una avaluació fisiològica general i, després d'un procés de selecció, vaig determinar les taxes de creixement i eliminació de Hg de tres candidats finals: Aeromonas sp. MERCC_1069, Pseudomonas putida MERCC_1942 i Bacillus sp. MERCC_2852. Aeromonas sp. va ser eficient en cultius en batch, però finalment es va seleccionar Pseudomonas putida MERCC_1942 per optimitzar l'eliminació de Hg en cultiu continu. La soca MERCC_1942 cultivada a altes taxes de creixement presentava una major eficiència d'eliminació de mercuri i ha estat proposada per a finalitats de bioremediació. Finalment, vaig utilitzar Alteromonas mediterranea ISS312, que es distribueix global i verticalment als oceans, per estudiar els efectes del MMHg en el seu creixement i en l'expressió dels seus gens. Vaig seqüenciar el genoma i vaig caracteritzar els gens mer, mostrant que té 4 operons diferents. En segon lloc, comparant mostres suplementades amb 5 µM de MMHg amb mostres control, vaig observar una fase de latència més llarga i una expressió diferencial d'alguns gens mer. A més, els gens mer presentaven patrons de coexpressió molt diversos. Aquests resultats indiquen que aquesta soca bacteriana es pot utilitzar com a model per estudiar la desmetilació i la reducció del Hg.El mercurio (Hg) es un metal tóxico y extendido. El monometilmercurio (MMHg) es un potente neurotóxico especialmente preocupante debido a su bioacumulación a través de las redes alimentarias acuáticas. En los sistemas acuáticos, el MMHg se forma principalmente en los sedimentos por procariotas que portan los genes hgcAB. La desmetilación de MMHg y la reducción de HgII también ocurren en sedimentos, realizadas por procariotas con los genes mer. El operón mer tiene dos enzimas, merA (HgII reductasa), que convierte HgII en Hg0, y merB (alquilmercurio liasa), que es responsable de la degradación de MMHg a HgII. La metilación se ha estudiado ampliamente desde el descubrimiento de los genes hgcAB en 2013. Sin embargo, estudiar la desmetilación ambiental del MMHg ha sido muy difícil, y los principales actores involucrados y los principales factores que controlan su actividad siguen siendo en gran medida desconocidos. En el primer capítulo, incubé sedimentos de la laguna de Venecia para simular un evento de cierre de MOSE en verano y otoño, y así determinar el impacto de las barreras en la formación de MMHg. En verano, encontré un aumento en la concentración de DOC y un enriquecimiento de sustancias proteicas y ácidos húmicos reactivos, una mayor concentración de MMHg en el agua y mayores tasas de metilación en los sedimentos incubados después de 48 h. Tanto las altas tasas de metilación como el aumento de las concentraciones de MMHg podrían incrementar la bioacumulación en la laguna. Estos resultados son particularmente preocupantes en el contexto de cambio global en el que la laguna se cerrará con mayor frecuencia durante períodos más prolongados debido al creciente número de inundaciones. Además, el aumento esperado de la temperatura podría aumentar las tasas de formación de MMHg y/o prolongar la estación cálida durante la cual se forma MMHg. En el capítulo 2, combinando datos metagenómicos y metatranscriptómicos de sedimentos, se arroja luz sobre la ecología y los rasgos funcionales de los procariotas que contienen merA y/o merB. Se reconstruyó la colección MERCLUB-MAG (con 803 MAG) y se extrajeron los MAG que contenían merAB (45 MAG) para estudiar su abundancia, actividad y capacidades metabólicas. Los principales hallazgos son que i)merB fue más frecuente y activo que merA, ii)las Gammaproteobacteria fueron el taxon más predominante pero hay una alta novedad taxonómica y iii)los MAG que contenían merAB tienen metabolismos muy diversos. Paralelamente se obtuvo la colección de cultivos MERCLUB con la intención de encontrar el mejor candidato para utilizar en biorremediación. Inicialmente, eligí 46 aislados para una evaluación fisiológica general y, tras un proceso de selección, evalué las tasas de crecimiento y de eliminación de Hg de tres candidatos finales: Aeromonas sp. MERCC_1069, Pseudomonas putida MERCC_1942 y Bacillus sp. MERCC_2852. Aeromonas sp. fue eficiente en cultivos discontinuos, aunque finalmente se seleccionó Pseudomonas putida MERCC_1942 para optimizar la eliminación de Hg en cultivo continuo. La cepa MERCC_1942 cultivada a altas tasas de crecimiento presentó la mayor eficiencia de eliminación y es propuesta para la biorremediación. Por último, utilicé Alteromonas mediterranea ISS312, que se distribuye global y verticalmente en los océanos, para estudiar los efectos del MMHg en su crecimiento y en la expresión de sus genes. Secuencié el genoma y caractericé los genes mer, mostrando que tiene 4 operones diferentes. En segundo lugar, comparando muestras suplementadas con 5 µM de MMHg con muestras control, observé una fase de latencia más larga y una expresión diferencial de algunos, pero no de todos, los genes mer. Además, los genes mer presentaron patrones de coexpresión muy diversos. Estos resultados indican que esta cepa bacteriana se puede utilizar como modelo para estudiar desmetilación y la reducción de Hg.Mercury (Hg) is a toxic and widespread metal. Monomethylmercury (MMHg) is a potent neurotoxic and especially worrisome due to its bioaccumulation through the aquatic food webs. In aquatic systems, MMHg is form mainly in sediments by prokaryotes carrying the hgcAB genes. MMHg demethylation and HgII reduction can also take place in sediments, performed by prokaryotes containing the mer genes. Operon mer has two enzymes, merA (mercuric reductase) which converts HgII to Hg0, and merB (organomercurial lyase) which is responsible for the degradation of MMHg to HgII. Methylation has been extensively studied since the discovery of the hgcAB gene cluster in 2013. However, studying MMHg demethylation in the environment has been very difficult, thus the main players involved in this process and the main factors controlling their activity remain largely unknown. In the first chapter, I incubated sediments from the Venice Lagoon to simulate a MOSE closing event in two seasons, summer and autumn, and determine the impact of tide-regulating barriers in the formation of MMHg. In summer, I found an increase in the concentration of DOC and an enrichment of proteinaceous substances and reactive humic acids, a higher MMHg concentration in the water column and higher methylation rates in incubated sediment cores after 48h. Both higher methylation rates and increased MMHg concentrations could potentially enhance bioaccumulation in the lagoon's biota. These results are especially worrisome in the context of global change in which the lagoon will closed more frequently for longer times due to the increasing number of flooding events. Moreover, the expected raise in temperature might increase MMHg formation rates and/or prolong the warmer season during which MMHg is formed in sediments. In Chapter 2, by combining metagenomic and metatranscriptomic data from sediments, my results shed light on the ecology and functional traits of the merA and/or merB containing prokaryotes. The MERCLUB-MAG Collection was reconstructed (with 803 MAGs) and the merAB containing MAGs were extracted (45 MAGs) to study their abundance, activity and metabolic capacities. The main findings are i) merB was more frequent and active than merA, ii) merAB containing MAGs had a high level of taxonomic novelty, although Gammaproteobacteria was the most predominant taxa and iii) the merAB containing MAGs had very diverse metabolisms. Parallelly, the MERCLUB Culture Collection was obtained with the intention of finding the best candidate to be used in bioremediation strategies. Initially, 46 isolates were chosen for general physiological assessment, and after a selection process, the growth rates and the Hg removal capacities of three final candidates - Aeromonas sp. MERCC_1069, Pseudomonas putida MERCC_1942 and Bacillus sp. MERCC_2852 were determined. Aeromonas sp. was highly efficient in batch cultures, although Pseudomonas putida MERCC_1942 was finally selected to be optimized using the continuous culture technique to achieve maximum Hg removal in the bioremediation process. Strain MERCC_1942 grown at high growth rates presented the highest removal efficiency and thus was the proposed candidate for bioremediation. Lastly, I used Alteromonas mediterranea ISS312, which is globally and vertically distributed throughout oceans, to study the effects of MMHg in its growth and in its gene's expression. I sequence the genome and characterized the mer genes, showing that it has 4 different operons. Secondly, I performed a transcriptomic experiment in which I compared control (not amended) and samples amended with 5 uM of MMHg. In the amended cultures, I observed a longer lag phase in the growth curve, and differential expression of some but not all of the mer genes. Additionally, the mer genes presented very diverse co-expression patterns among them. These results indicate that this bacterial strain can be used as a model microorganism for MMHg demethylation and HgII reduction

From nature to urbanity : exploring phyllosphere microbiome and functional gene responses to the Anthropocene

The Anthropocene exerts various pressures and influences on the stability and function of the Earth's ecosystems. However, our understanding of how the microbiome responds in form and function to these disturbances is still limited, particularly when considering the phyllosphere, which represents one of the largest microbial reservoirs in the terrestrial ecosystem. In this study, we comprehensively characterized tree phyllosphere bacteria and associated nutrient-cycling genes in natural, rural, suburban, and urban habitats in China. Results revealed that phyllosphere bacterial community diversity, richness, stability, and composition heterogeneity were greatest at the most disturbed sites. Stochastic processes primarily governed the assembly of phyllosphere bacterial communities, although the role of deterministic processes (environmental selection) in shaping these communities gradually increased as we moved from rural to urban sites. Our findings also suggest that human disturbance is associated with the reduced influence of drift as increasingly layered environmental filters deterministically constrain phyllosphere bacterial communities. The intensification of human activity was mirrored in changes in functional gene expression within the phyllosphere microbiome, resulting in enhanced gene abundance, diversity, and compositional variation in highly human-driven disturbed environments. Furthermore, we found that while the relative proportion of core microbial taxa decreased in disturbed habitats, a core set of microbial taxa shaped the distributional characteristics of both microbiomes and functional genes at all levels of disturbance. In sum, this study offers valuable insights into how anthropogenic disturbance may influence phyllosphere microbial dynamics and improves our understanding of the intricate relationship between environmental stressors, microbial communities, and plant function within the Anthropocene

Interactive effects of warming, antibiotics, and nanoplastics on the gut microbiome of the collembolan Folsomia candida

Altres ajuts: the Fundación Ramón Areces Project CIVP20A6621.At 20 °C antibiotic exposure led to a loss of gut microbiome evenness. - Gram-negative bacteria targeted by colistin were not globally affected. - At 20 °C nanoplastic exposure reduced relative abundance of Actinobacteria and Firmicutes. - Wolbachia genus controlled compositional shifts under nanoplastic addition. - At 22 °C nanoplastic exposure reduced abundance, increased evenness, and changed gut microbiome composition. - Nanoplastics and antibiotics are among the most abundant chemical pollutants of soils, but their interplay with global warming remains poorly understood. The springtail Folsomia candida (Class Collembola) is a standard model for ecotoxicological assays with potential as a bioindicator of xenobiotics. Little is known, however, about their gut microbiome and how it might respond to warming and these pollutants. We exposed populations of F. candida to nanoplastics and antibiotic under two temperatures. The antibiotic treatment consisted of colistin addition, and the nanoplastic treatment consisted of polystyrene particles (50 mg kg-1 and 0.1 g kg-1 of dry soil, respectively). Both treatments were incubated at 20 and 22 °C for two months, and the bacterial gut microbiomes of springtails were then sequenced. Exposure to nanoplastics at 20 °C decreased the abundance of the dominant bacterial phyla and families, and decreased the evenness of the gut microbiome. At 22 °C, however, the abundances and evenness of the dominant families increased. Surprisingly, Gramnegative bacteria targeted by colistin were not globally affected. And at genus-level, the endosymbiont Wolbachia controlled the compositional shifts under nanoplastic addition, potentially driving the gut microbiome. Our results also indicated that warming was a major driver modulating the impacts of the antibiotic and nanoplastics. We illustrate how the gut microbiomes of springtails are sensitive communities responsive to xenobiotics and provide evidence of the need to combine multiple factors of global change operating simultaneously if we are to understand the responses of communities of soil arthropods and their microbiomes