Advanced functional materials based on liquid crystal dendrimers: novel dendritic architectures for applications in material science and biomedicine

Los dendrímeros constituyen en la actualidad un área de extraordinario interés en la investigación de materiales funcionales. El uso de los cristales líquidos como agentes capaces de promover la ordenación de las unidades activas presentes dentro de la estructura dendrítica puede dar lugar a la creación de un nuevo tipo de materiales orgánicos con aplicaciones tanto en Ciencia de Materiales como en Biomedicina.El objetivo principal de esta tesis ha sido la obtención de nuevos materiales funcionales a partir de dendrímeros cristales líquidos para su aplicación como semiconductores orgánicos, para la obtención de materiales conductores de protones, para la preparación de membranas nanoporosas y para aplicaciones biomédicas.CAPÍTULO 1: SEMICONDUCTORES ORGÁNICOS BASADOS EN DENDRÍMEROS CRISTALES LÍQUIDOS CON NÚCLEO DE PORFIRINALos materiales orgánicos resultan muy atractivos en el campo de la electrónica molecular para la fabricación de celdas fotovoltaicas (OPVs), diodos orgánicos emisores de luz (OLEDs) o transistores orgánicos de efecto campo (OFETs). Estos dispositivos, cuya capa activa está basada en moléculas orgánicas π-conjugadas, requieren de una estructura interna bien organizada para poder desempeñar óptimamente su función. Los cristales líquidos pueden ser empleados como una valiosa herramienta para el desarrollo y procesado de materiales funcionales en los que el control de la organización molecular sea esencial para la mejora de determinadas propiedades.En este contexto, se sintetizaron y caracterizaron dendrímeros que poseen un núcleo de porfirina y unidades funcionales de cumarina en la periferia mediante química covalente. Estos sistemas, que son mucho más estables en comparación con los supramoleculares, presentaron un comportamiento cristal líquido nemático discótico. Además, presentaron efecto antena, con una eficiencia de aprox. 20%, donde las cumarinas de la periferia actúan como dadores al núcleo central de porfirina. También estos compuestos presentaron altos valores de movilidad de carga (los más altos descritos hasta la fecha para este tipo de mesofase).Pese a los buenos resultados obtenidos, los sistemas covalentes presentan una síntesis y purificación laboriosa. Por ello, se buscó la mejora de su síntesis por medio de química ‘click’, obteniendo una nueva familia de productos con rendimientos superiores al 75%. Utilizando esta nueva aproximación, se sintetizaron dendrímeros con núcleo de porfirina y con unidades de carbazol en la periferia. Así mismo, la modificación de la estructura química de la cumarina permitió aumentar la eficiencia del efecto antena (>90%).CAPÍTULO 2: DENDRÍMEROS CRISTALES LÍQUIDOS IÓNICOS COMO MATERIALES CONDUCTORES DE PROTONESEl desarrollo de sistemas de almacenamiento electroquímico de energía fácilmente transportable es un área de intensa investigación hoy en día. Para la construcción de este tipo de dispositivos es necesario el desarrollo de nuevos electrolitos que proporcionen un eficiente transporte de iones. La nanosegregación presente en las organizaciones cristal líquido es una prometedora estrategia para la preparación de nuevos electrolitos sólidos ya que las moléculas con comportamiento mesógeno pueden tener partes iónicas, que puedan dar lugar a canales iónicos, permitiendo un transporte de iones.En este capítulo se evaluó por primera vez el uso de dendrímeros cristales líquidos iónicos para la preparación de materiales conductores uni- y bidimensionales de protones. Para ello, se sintetizó una nueva familia de dendrímeros cristales líquidos iónicos basados en la unión de núcleos de poli(amidoamina) (PAMAM) con un dendron bifuncional que contiene unidades fotodimerizables de cumarina. La preparación se ha realizado siguiendo una aproximación supramolecular (enlace iónico), que ha demostrado ser sencilla, cuantitativa y versátil si se compara con la preparación mediante química covalente. Todos los dendrímeros presentaron comportamiento cristal líquido que puede ser modulado modificando la generación del núcleo de PAMAM utilizado, dando lugar a mesofases esmécticas A para generaciones bajas y a mesofases columnares hexagonales al aumentar la generación.La reacción de fotodimerización de las unidades de cumarina se utilizó como reacción de entrecruzamiento para obtener redes poliméricas cristal líquido. Todos los materiales preparados presentaron buenas propiedades de conducción ya que el orden cristal líquido lleva a la formación de áreas nanosegregadas que favorecen el transporte de protones.CAPÍTULO 3: MATERIALES NANOPOROSOS BASADOS EN DENDRÍMEROS CRISTALES LÍQUIDOS SUPRAMOLECULARESLos materiales nanoporosos despiertan un gran interés debido a sus aplicaciones en campos diversos como son la filtración y purificación de aguas, procesos de separación, catálisis o almacenamiento de gases. Para preparación de sistemas con poros del orden de 1 nm o inferior, los cristales líquidos suponen una prometedora herramienta ya que combinan una autoorganización en dimensiones nanoscópicas junto con un fácil procesado en dimensiones macroscópicas.Con este objetivo, se sintetizaron y caracterizaron complejos supramoleculares (via enlaces de hidrógeno) a partir de diferentes moléculas plantilla y un dendrón funcional que contiene unidades fotodimerizables de cumarina. Estos complejos supramoleculares presentaron mesomorfismo columnar hexagonal y con ellos fue posible obtener redes poliméricas mediante un proceso de fotodimerización de las unidades de cumarina. Las redes obtenidas conservaron el mesomorfismo columnar exhibido por los complejos supramoleculares.Posteriormente, tras la eliminación de las moléculas plantilla por tratamiento químico, se obtuvieron polímeros porosos con poros de tamaño controlado que mantienen el orden inducido por el empaquetamiento cristal líquido presente en las redes poliméricas precursoras. Los materiales porosos obtenidos demostraron ser capaces de discriminar entre distintas moléculas en función de su tamaño. Además, debido a la presencia de ácidos carboxílicos en la superficie del poro, fue posible modificar la “química del poro”, pudiendo variar la selectividad de la membrana hacia determinados analitos.CAPÍTULO 4: NUEVAS ARQUITECTURAS DENDRÍTICAS PARA APLICACIONES BIOMÉDICASEl transporte y liberación de fármacos permite tratar diversas enfermedades de forma más específica reduciendo de esta forma los efectos secundarios de los tratamientos. Para ello se requiere el uso de nano-transportadores poliméricos. De entre todas las variedades de polímeros capaces de autoensamblarse en agua, los dendrímeros son unos prometedores candidatos ya que han sido descritos como “cajas moleculares” con varias aplicaciones farmacéuticas como potenciadores de la solubilidad, agentes de contraste en imagen por resonancia magnética, transporte de fármacos, terapia fotodinámica, etc.En este contexto, se sintetizaron y caracterizaron dendrímeros híbridos covalentes e iónicos a partir de dendrímeros comerciales de poli(amidoamina) (PAMAM) y un dendrón bifuncional que contiene cumarina. La naturaleza hidrófila de estos dendrímeros les confiere un carácter anfífilo que les permite autoensamblarse en agua generando micelas esféricas. Además, la incorporación en la estructura química de los dendrímeros de un cromóforo fluorescente (cumarina) dota a estas micelas de luminiscencia sin necesidad de un marcador externo.<br /

BiOSS: A system for biomedical ontology selection

In biomedical informatics, ontologies are considered a key technology for annotating, retrieving and sharing the huge volume of publicly available data. Due to the increasing amount, complexity and variety of existing biomedical ontologies, choosing the ones to be used in a semantic annotation problem or to design a specific application is a difficult task. As a consequence, the design of approaches and tools addressed to facilitate the selection of biomedical ontologies is becoming a priority. In this paper we present BiOSS, a novel system for the selection of biomedical ontologies. BiOSS evaluates the adequacy of an ontology to a given domain according to three different criteria: (1) the extent to which the ontology covers the domain; (2) the semantic richness of the ontology in the domain; (3) the popularity of the ontology in the biomedical community. BiOSS has been applied to 5 representative problems of ontology selection. It also has been compared to existing methods and tools. Results are promising and show the usefulness of BiOSS to solve real-world ontology selection problems. BiOSS is openly available both as a web tool and a web service.Instituto de Salud Carlos III; FIS-PI10/02180Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; CN2012/217Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; CN2011/034Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; CN2012/211Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo; ref. 209RT036

New Perspectives Related to the Bioluminescent System in Dinoflagellates: Pyrocystis lunula, a Case Study

Pyrocystis lunula is considered a model organism due to its bioluminescence capacity linked to circadian rhythms. The mechanisms underlying the bioluminescent phenomenon have been well characterized in dinoflagellates; however, there are still some aspects that remain an enigma. Such is the case of the presence and diversity of the luciferin-binding protein (LBP), as well as the synthesis process of luciferin. Here we carry out a review of the literature in relation to the molecular players responsible for bioluminescence in dinoflagellates, with particular interest in P. lunula. We also carried out a phylogenetic analysis of the conservation of protein sequence, structure and evolutionary pattern of these key players. The basic structure of the luciferase (LCF) is quite conserved among the sequences reported to date for dinoflagellate species, but not in the case of the LBP, which has proven to be more variable in terms of sequence and structure. In the case of luciferin, its synthesis has been shown to be complex process with more than one metabolic pathway involved. The glutathione S-transferase (GST) and the P630 or blue compound, seem to be involved in this process. In the same way, various hypotheses regarding the role of bioluminescence in dinoflagellates are exposed

A genetic algorithms-based approach for optimizing similarity aggregation in ontology matching

[Abstract] Ontology matching consists of finding the semantic relations between different ontologies and is widely recognized as an essential process to achieve an adequate interoperability between people, systems or organizations that use different, overlapping ontologies to represent the same knowledge. There are several techniques to measure the semantic similarity of elements from separate ontologies, which must be adequately combined in order to obtain precise and complete results. Nevertheless, combining multiple similarity measures into a single metric is a complex problem, which has been traditionally solved using weights determined manually by an expert, or through general methods that do not provide optimal results. In this paper, a genetic algorithms based approach to aggregate different similarity metrics into a single function is presented. Starting from an initial population of individuals, each one representing a combination of similarity measures, our approach allows to find the combination that provides the optimal matching quality.Instituto de Salud Carlos III; FISPI10/02180Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo; 209RT0366Xunta de Galicia; CN2012/217Xunta de Galicia; CN2011/034Xunta de Galicia; CN2012/21

Ontologies in medicinal chemistry: current status and future challenges

[Abstract] Recent years have seen a dramatic increase in the amount and availability of data in the diverse areas of medicinal chemistry, making it possible to achieve significant advances in fields such as the design, synthesis and biological evaluation of compounds. However, with this data explosion, the storage, management and analysis of available data to extract relevant information has become even a more complex task that offers challenging research issues to Artificial Intelligence (AI) scientists. Ontologies have emerged in AI as a key tool to formally represent and semantically organize aspects of the real world. Beyond glossaries or thesauri, ontologies facilitate communication between experts and allow the application of computational techniques to extract useful information from available data. In medicinal chemistry, multiple ontologies have been developed during the last years which contain knowledge about chemical compounds and processes of synthesis of pharmaceutical products. This article reviews the principal standards and ontologies in medicinal chemistry, analyzes their main applications and suggests future directions.Instituto de Salud Carlos III; FIS-PI10/02180Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo; 209RT0366Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; CN2012/217Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; CN2011/034Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; CN2012/21

Damselflies (Coenagrionidae) have been avoiding leaf veins during oviposition for at least 52 million years

Plant-insect interactions can provide extremely valuable information for reconstructing the oviposition behavior. We have studied about 1350 endophytic egg traces of coenagrionid damselflies (Odonata: Zygoptera) from the Eocene, identifying triangular or drop-shaped scars associated with them. This study aims to determine the origin of these scars. Our behavioral study of about 1,800 endophytic eggs from recent coenagrionids indicates that these scars were caused by ovipositor incisions, but without egg insertion. The scar correlates (χ2-test) with leaf veins in both fossil and extant species. We infer that a female would detect the proximity of a leaf vein and avoid egg-laying, generating a scar that also fossilizes. For the first time, a scar produced by the ovipositor has been identified, indicating the existence of undesirable areas for oviposition. Accordingly, we recognize that Coenagrionidae damselflies (narrow-winged damselflies or pond damselflies) have been avoiding leaf veins for at least 52 million years

Extracting diagnostic knowledge from MedLine Plus: a comparison between MetaMap and cTAKES Approaches

The development of diagnostic decision support systems (DDSS) requires having a reliable and consistent knowledge base about diseases and their symptoms, signs and diagnostic tests. Physicians are typically the source of this knowledge, but it is not always possible to obtain all the desired information from them. Other valuable sources are medical books and articles describing the diagnosis of diseases, but again, extracting this information is a hard and time-consuming task. In this paper we present the results of our research, in which we have used Web scraping, natural language processing techniques, a variety of publicly available sources of diagnostic knowledge and two widely known medical concept identifiers, MetaMap and cTAKES, to extract diagnostic criteria for infectious diseases from MedLine Plus articles. A performance comparison of MetaMap and cTAKES is also presented

The iOSC3 system: using ontologies and SWRL rules for intelligent supervision and care of patients with acute cardiac disorders

[Abstract] Physicians in the Intensive Care Unit (ICU) are specially trained to deal constantly with very large and complex quantities of clinical data and make quick decisions as they face complications. However, the amount of information generated and the way the data are presented may overload the cognitive skills of even experienced professionals and lead to inaccurate or erroneous actions that put patients’ lives at risk. In this paper, we present the design, development, and validation of iOSC3, an ontology-based system for intelligent supervision and treatment of critical patients with acute cardiac disorders. The system analyzes the patient’s condition and provides a recommendation about the treatment that should be administered to achieve the fastest possible recovery. If the recommendation is accepted by the doctor, the system automatically modifies the quantity of drugs that are being delivered to the patient. The knowledge base is constituted by an OWL ontology and a set of SWRL rules that represent the expert’s knowledge. iOSC3 has been developed in collaboration with experts from the Cardiac Intensive Care Unit (CICU) of the Meixoeiro Hospital, one of the most significant hospitals in the northwest region of Spain.Instituto de Salud Carlos III; FIS-PI10/02180Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo; 209RT0366Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; CN2012/217Xunta. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; CN2011/034Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; CN2012/21