Computational study and rational design of pluriZymes

[eng] The increase in production over the last centuries has come at the expense of compromising the environment, urging the need to find solutions. Enzymes are the essential molecules that make life kinetically possible. In industry, enzymes can be a sustainable alternative to using inorganic catalysts. However, their low productivity, poor resistance to industrial conditions, and their cost limit their usage. Thus, enabling the tailoring of biocatalysts at will is crucial to expand their application. The advances in computational power, followed by the repertoire of modeling tools, are helping design the next generation of biocatalysts due to their lower costs and quickness. This thesis aims to develop a novel concept of biocatalysis, which could lower the expression costs of enzymes, named pluriZymes. PluriZymes are proteins with plural catalytic active sites where one (at least) of them is artificially designed. The type of introduced functional site along the thesis has been the hydrolase one due to its simplicity (only 3 catalytic residues needed) and does not need a cofactor. The studied systems were transaminases and esterases since they have several applications in industry, thus, being of broad interest. All computational designs were experimentally validated by our collaborators. The thesis' results include an in-one protease-esterase pluriZyme, a transaminase- esterase pluriZyme with potential applications for the pharmaceutical industry, the rational improvement of substrate promiscuity of hydrolase sites, and a new algorithm to facilitate the design of artificial active sites. Hence, this thesis proves the potential of pluriZymes for the next generation of biocatalysts toward a more sustainable society and the need for computational tools to develop them.[cat] L’augment en la producció dels darrers segles s’ha produït a canvi de comprometre el medi ambient, apressant la necessitat de trobar solucions. Els enzims són les molècules essencials que fan la vida possible cinèticament. En l'àmbit industrial, els enzims poden ser una alternativa sostenible a l’ús de catalitzadors inorgànics. No obstant això, la seva baixa productivitat, la poca resistència a les condicions industrials i el seu cost limiten el seu ús. Així doncs, la capacitat de poder adaptar els biocatalitzadors a voluntat és crucial per ampliar la seva aplicació. Els avenços en els recursos computacionals, seguits pel repertori d’eines de modelatge, estan ajudant a dissenyar la propera generació de biocatalitzadors pels seus baixos costs i la seva rapidesa. Aquesta tesi pretén desenvolupar un nou concepte en biocatàlisi, que podria reduir els costs d’expressió dels enzims, anomenat “pluriZyme”. Els “pluriZymes” són proteïnes amb múltiples llocs actius catalítics on almenys un d’ells està dissenyat artificialment. El tipus de lloc funcional introduït al llarg de la tesi ha estat la hidrolasa per la seva simplicitat (només calen 3 residus catalítics) i no necessita cofactor. Els sistemes estudiats van ser transaminases i esterases, ja que tenen diverses aplicacions a la indústria, per tant, són d'ampli interès. Tots els dissenys computacionals van ser validats experimentalment pels nostres col·laboradors. Els resultats de la tesi inclouen un “pluriZyme” proteasa-esterasa tot en un, un “pluriZyme” transaminasa-esterasa amb aplicacions potencials per a la indústria farmacèutica, la millora racional de la promiscuïtat de substrats de llocs hidrolasa i un nou algorisme per facilitar el disseny de llocs actius artificials. Per tant, aquesta tesi demostra el potencial de pluriZymes per a la propera generació de biocatalitzadors cap a una societat més sostenible i la necessitat d'eines computacionals per desenvolupar-los.[spa] El incremento en la producción de los últimos siglos se ha producido a expensas de comprometer el medioambiente, lo que ha acelerado la necesidad de encontrar soluciones. Las enzimas son moléculas esenciales para que la vida sea cinéticamente posible. En el ámbito industrial, las enzimas pueden ser una alternativa sostenible a los catalizadores inorgánicos. Sin embargo, su baja productividad, poca resistencia a las condiciones industriales y su costo limitan su uso. Por lo tanto, permitir la adaptación de biocatalizadores a voluntad es crucial para expandir su aplicación. Los avances en recursos computacionales, seguidos por el repertorio de herramientas de modelado, están ayudando a diseñar la próxima generación de biocatalizadores debido a su menor costo y rapidez. Esta tesis tiene como objetivo desarrollar un concepto novedoso en el campo de biocatálisis, que podría reducir los costes de expresión de las enzimas, denominado "pluriZymes". Los "pluriZymes" son proteínas con sitios activos catalíticos plurales donde al menos uno de ellos está diseñado artificialmente. El tipo de sitio funcional introducido a lo largo de la tesis ha sido el de hidrolasa debido a su sencillez (solo se necesitan 3 residuos catalíticos) y no necesita cofactor. Los sistemas estudiados fueron transaminasas y esterasas, ya que tienen varias aplicaciones en la industria, por lo tanto, son de amplio interés. Todos los diseños computacionales fueron validados experimentalmente por nuestros colaboradores. Los resultados de la tesis incluyen una proteasa- esterasa "pluriZyme" todo en uno, una transaminasa-esterasa "pluriZyme" con aplicaciones potenciales para la industria farmacéutica, la mejora racional de la promiscuidad de sustratos de sitios hidrolasa y un nuevo algoritmo para facilitar el diseño de sitios activos artificiales. Por lo tanto, esta tesis demuestra el potencial de pluriZymes para la próxima generación de biocatalizadores hacia una sociedad más sostenible y la necesidad de herramientas computacionales para desarrollarlos

Impacte econòmic directe de la pandèmia COVID-19 per a una aerolínia

La pandèmia de la COVID-19 ja acumula més de 170 milions de casos en tot al món a causa de la seva ràpida propagació, fruit d’això els governs van imposar severes restriccions de mobilitat provocant que l’any 2020 hi hagués una caiguda dels passatgers del transport aeri comercial del 60%, retrocedint a uns valors d’abans dels 2000. Conseqüència d’això les aerolínies van haver de deixar a terra la majoria dels seus avions provocant despeses d’estacionament i manteniment i és que un avió a diferència d’un cotxe no pot ser abandonat durant una llarga parada sinó que requereix costoses operacions de manteniment rutinàries per assegurar una bona preservació. L’objectiu principal d’aquest treball de final de grau és analitzar el cas concret de Vueling i veure quin ha estat l’impacte econòmic directe de la pandèmia en el seu cas. És a dir, quantificar les despeses originades per culpa de la parada d’operacions. A causa del fet que la COVID-19 segueix present actualment es farà el càlcul de la despesa generada fins al 13 de juny i una estimació de futur. Altrament es veurà l’evolució del trànsit aeri comercial d’aquest darrer any i la relació que guarda la pandèmia amb les xifres de passatgers així com la incertesa que viu el sector, d’igual manera es veurà la rellevància dels aeroports secundaris com el de Teruel o Ciudad Real, aeroports que aquest any 2020 ha estat quan han estat més actius servint d’estacionament a un elevat nombre d’avions d’arreu d’Europa.The COVID-19 pandemic has already accumulated more than 170 million cases worldwide due to its rapid spread. Consequently, governments imposed severe mobility restrictions, which caused a drop of 60 per cent in passenger air traffic. This lead airlines to ground most of their aircraft, causing parking and maintenance costs. As aircraft are not like cars, they cannot be abandoned during a long stop. Instead, they need costly routine maintenance operations to ensure the aircraft is preserved in good shape. This thesis aims to investigate and quantify the pandemic’s direct economic impact on Vueling Airlines. Which primarily entails calculating the costs incurred as a result of the temporary stop of operations. And, because COVID-19 is still present, the cost generated will be computed until June 13, and an estimate will be created for the future. Otherwise, the project will depict the evolution of air traffic over the previous year as well as the link between the pandemic and passenger numbers. It will also demonstrate the importance of minor airports like Teruel or Ciudad Real, which have been exceptionally busy this year, acting as parking for a large number of planes from all across Europe

Estudi i anàlisi sobre la implantació dels drons com a una mesura antiincendis

Aquest projecte té com a objectiu general trobar una solució a la lentitud a l‟hora de detectar un incendi als boscos. Per fer-ho es dissenya un sistema emprant una tecnologia emergent: els drons. Es realitza un estudi de mercat per conscienciar-se de les infinites possibilitats que ofereix actualment una tecnologia en desenvolupament com són els drons. S‟analitzen el funcionament i les possibilitats de diverses tecnologies per a detectar incendis i es selecciona la més adient. S‟estudia la forma de combinar la tecnologia triada amb un dron. S‟aplica la teoria a un cas pràctic definint la zona d‟estudi i tots els paràmetres necessaris per al correcte funcionament del sistema. Es realitza la comparació amb el sistema actual de detecció d‟incendis descrivint els respectius avantatges i inconvenients. Es revisa la legislació vigent en quant al pilotatge de d‟aeronaus amb radio control i, per últim, es realitza una valoració mediambiental i econòmica

Configuració i manteniment de cintes transportadores en entorns industrials

Aquest treball tracta d’incorporar el material didàctic necessari per introduir als alumnes del CFGS en Mecatrònica els coneixements de cintes transportadores en entorns industrials: indústria extractiva i de procés. També inclou informació sobre els recursos tecnològics de càlcul i disseny i un pressupost d’una cinta transportadora estàndard per les És d’especial interès el resum bibliogràfic que inclou a més a més dels documents i llibres consultats, les referències web sobre fabricants de cintes transportadores i fabricants de components electromecànics i de r També es proposa una metodologia per transferir aquest coneixements, basada en la tècnica del puzzle, el treball cooperatiu i l’aprenentatge basat en problemes (ABP) amb l’objectiu de donar protagonisme a l’alumne i despertar interès sobre l’àrea de coneixement. Aquesta tècnica fomenta de treball autodirigit. Els conceptes transmesos a l’estudiant estan vinculats a les unitats formatives corresponents al CFGS en Mecatrònica i als resultat L’objectiu principal del treball és que l’alumne sigui capaç de calcular les principals variables de disseny d’una cinta transportadora, manualment i amb l’ajuda del software de càlcul proposat, de seleccionar els diversos components mec sigui capaç d’interpretar la documentació tècnica dels fabricants

Atomistic Insight into Ion Transport and Conductivity in Ga/Al-Substituted Li7_7La3_3Zr2_2O12_{12} Solid Electrolytes

Garnet-structured Li$_{7}$La$_{3}$Zr$_{2}$O$_{12}$ is a promising solid electrolyte for next-generation solid-state Li batteries. However, sufficiently fast Li-ion mobility required for battery applications only emerges at high temperatures, upon a phase transition to cubic structure. A well-known strategy to stabilize the cubic phase at room temperature relies on aliovalent substitution; in particular, the substitution of Li$^{+}$ by Al$^{3+}$ and Ga$^{3+}$ ions. Yet, despite having the same formal charge, Ga$^{3+}$ substitution yields higher conductivities ($10^{-3}$~S/cm) than Al$^{3+}$ ($10^{-4}$~S/cm). The reason of such difference in ionic conductivity remains a mystery. Here we use molecular dynamic simulations and advanced sampling techniques to precisely unveil the atomistic origin of this phenomenon. Our results show that Li$^{+}$ vacancies generated by Al$^{3+}$ and Ga$^{3+}$ substitution remain adjacent to Ga$^{3+}$ and Al$^{3+}$ ions, without contributing to the promotion of Li$^{+}$ mobility. However, while Ga$^{3+}$ ions tend to allow limited Li$^{+}$ diffusion within their immediate surroundings, the less repulsive interactions associated with Al$^{3+}$ ions lead to a complete blockage of neighboring Li$^{+}$ diffusion paths. This effect is magnified at lower temperatures, and explains the higher conductivities observed for Ga-substituted systems. Overall this study provides a valuable insight into the fundamental ion transport mechanism in the bulk of Ga/Al-substituted Li$_{7}$La$_{3}$Zr$_{2}$O$_{12}$ and paves the way for rationalizing aliovalent substitution design strategies for enhancing ionic transport in these materials.ENE2016-81020-R (MINECO

Dense Freeze‐cast Li_7La_3Zr_2O_(12) Solid Electrolytes with Oriented Open Porosity and Contiguous Ceramic Scaffold

Freeze casting is used for the first time to prepare solid electrolyte scaffolds with oriented porosity and dense ceramic walls made of Li_7La_3Zr_2O_(12) (LLZO), one of the most promising candidates for solid state battery electrolytes. Processing parameters ‐ such as solvent solidification rate, solvent type, and ceramic particle size ‐ are investigated, focusing on their influence on porosity and ceramic wall density. Dendrite‐like porosity is obtained when using cyclohexane and dioxane as solvents. Lamellar porosity is observed in aqueous slurries resulting in a structure with the highest apparent porosity and densest ceramic scaffold but weakest mechanical properties due to the lack of interlamellar support. The use of smaller LLZO particle size in the slurries resulted in lower porosity and denser ceramic walls. The intrinsic ionic conductivity of the oriented LLZ ceramic scaffold is unaffected by the freeze casting technique, providing a promising ceramic scaffold for polymer infill in view of designing new types of ceramic‐polymer composites

Dense Freeze‐cast Li_7La_3Zr_2O_(12) Solid Electrolytes with Oriented Open Porosity and Contiguous Ceramic Scaffold

Freeze casting is used for the first time to prepare solid electrolyte scaffolds with oriented porosity and dense ceramic walls made of Li_7La_3Zr_2O_(12) (LLZO), one of the most promising candidates for solid state battery electrolytes. Processing parameters ‐ such as solvent solidification rate, solvent type, and ceramic particle size ‐ are investigated, focusing on their influence on porosity and ceramic wall density. Dendrite‐like porosity is obtained when using cyclohexane and dioxane as solvents. Lamellar porosity is observed in aqueous slurries resulting in a structure with the highest apparent porosity and densest ceramic scaffold but weakest mechanical properties due to the lack of interlamellar support. The use of smaller LLZO particle size in the slurries resulted in lower porosity and denser ceramic walls. The intrinsic ionic conductivity of the oriented LLZ ceramic scaffold is unaffected by the freeze casting technique, providing a promising ceramic scaffold for polymer infill in view of designing new types of ceramic‐polymer composites

Regional and local environmental conditions do not shape the response to warming of a marine habitat-forming species

The differential response of marine populations to climate change remains poorly understood. Here, we combine common garden thermotolerance experiments in aquaria and population genetics to disentangle the factors driving the population response to thermal stress in a temperate habitatforming species: the octocoral Paramuricea clavata. Using eight populations separated from tens of meters to hundreds of kilometers, which were differentially impacted by recent mortality events, we identify 25 degrees C as a critical thermal threshold. After one week of exposure at this temperature, seven of the eight populations were affected by tissue necrosis and after 30 days of exposure at this temperature, the mean % of affected colonies increased gradually from 3 to 97%. We then demonstrate the weak relation between the observed differential phenotypic responses and the local temperature regimes experienced by each population. A significant correlation was observed between these responses and the extent of genetic drift impacting each population. Local adaptation may thus be hindered by genetic drift, which seems to be the main driver of the differential response. Accordingly, conservation measures should promote connectivity and control density erosion in order to limit the impact of genetic drift on marine populations facing climate change

An optoelectronic framework enabled by low-dimensional phase-change films.

Accepted author version. The definitive version was published in: Nature 511, 206–211 (10 July 2014) doi:10.1038/nature13487The development of materials whose refractive index can be optically transformed as desired, such as chalcogenide-based phase-change materials, has revolutionized the media and data storage industries by providing inexpensive, high-speed, portable and reliable platforms able to store vast quantities of data. Phase-change materials switch between two solid states--amorphous and crystalline--in response to a stimulus, such as heat, with an associated change in the physical properties of the material, including optical absorption, electrical conductance and Young's modulus. The initial applications of these materials (particularly the germanium antimony tellurium alloy Ge2Sb2Te5) exploited the reversible change in their optical properties in rewritable optical data storage technologies. More recently, the change in their electrical conductivity has also been extensively studied in the development of non-volatile phase-change memories. Here we show that by combining the optical and electronic property modulation of such materials, display and data visualization applications that go beyond data storage can be created. Using extremely thin phase-change materials and transparent conductors, we demonstrate electrically induced stable colour changes in both reflective and semi-transparent modes. Further, we show how a pixelated approach can be used in displays on both rigid and flexible films. This optoelectronic framework using low-dimensional phase-change materials has many likely applications, such as ultrafast, entirely solid-state displays with nanometre-scale pixels, semi-transparent 'smart' glasses, 'smart' contact lenses and artificial retina devices.Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC)OUP John Fell Fun