Concepts, perspectives and implications of a hybrid system made of nucleic acids biopolymers and hydroxyapatite mineral

The origin of building blocks of life and how life thrived on Earth remains a topic of high interest for researchers of the Origin of Life. In this thesis, we deal with concepts, perspectives and implications of the system termed hydroxyolite, a combination of outstanding biopolymers (nucleic acids such as DNA and RNA) and an exceptional mineral (hydroxyapatite). First we study, based on Revilla et al. (2013) and Bertran et al. (2014), how hydroxyapatite forms crystals able to encapsulate DNA or RNA when nucleic acids are used as a nucleating template. Later, in Bertran et al., (2016), we reported the mechanism of how the encapsulated nucleic acid is released to the surroundings when environmental conditions change, for instance becoming more acidic. As a consequence, we postulated that DNA existing in cells can be encapsulated and protected by hydroxyapatite against environmental attacks (i.e. poisonous gases, gamma radiation or enzymatic degradation) until they change, making feasible the reintroduction of nucleic acids in the mainstream of life. We hypothesized about the implications of such a system in the early history of life when mass extinction events occurred on Earth (Turon et al., 2015). Moreover, we extended the hydroxyolite concept, borrowed from the materials chemistry, to other disciplines such as paleontology, biology, biotechnology and medicine by considering hydroxyolites as equivalents to non-viral vectors that can introduce and release DNA into a cell (transfection). Such nucleic acid triggers the expression of foreign proteins if released in the cytosol or might be recombined with cell genome when DNA is released in the target cell nucleus. In the second part of the thesis, we studied the hydroxyolite system from a complementary perspective. We speculate about the consequences of being hydroxyapatite the first actor and not the nucleic acid. We propose that hydroxyapatite might act as an inorganic mold if considered as a catalytic substrate that facilitates the synthesis of simple organic molecules as the building blocks of life. Thus, we identified a prebiotic scenario, a volcanic eruption under lightning, where a phenomenon known as dirty storm usually occurs under certain conditions. Hydroxyapatite is known in nature to be part of igneous rocks and volcanic ash in small but significant concentrations. We replicated in the laboratory such extreme conditions by developing a thermally and electrically stimulated polarization. A process performed at 1000 ºC and under a difference of potential of 300 kV·m-1, to obtain permanently polarized hydroxyapatite (Turon et al., 2016; PCT/EP2017/069437) that turned out to be an enhanced catalyst compared to hydroxyapatite able to fix nitrogen and carbon from a gas mixture of N2, CO2 and CH4 (Rivas et al., 2018). The catalyst, under UV light, converts them into amino acids (Glycine and D/L-Alanine) and small organic molecules by means of a new inorganic photosynthetic process. In this work, we develop an integrative prebiotic model that describes how simple molecules might be synthesized from mildly reducing atmospheres by combining previous models such as volcanos as giant reactors, minerals as catalysts and photochemical reactions in the atmosphere under prebiotic sun light. All of them under the framework of a prebiotic inorganic photosynthesis, a process that might be considered the corner stone of the rise of the building blocks of life.L’origen de les molècules que van donar lloc a la vida i com la vida va prosperar a la Terra segueix essent un tema del màxim interès pels investigadors de l’origen de la vida. En aquesta tesi, discutim conceptes, perspectives de futur i implicacions del sistema que hem anomenat hidroxiolita (hydroxyolite), una combinació de biopolímers amb característiques molt especials (àcids nucleics com l’ADN i l’ARN) i un mineral excepcional (hidroxiapatita). En primer lloc, en els treballs Revilla et al., (2013) i Bertran et al., (2014) estudiem com els cristalls d’hidroxiapatita tenen la capacitat d’encapsular ADN o ARN quan l’àcid nucleic es comporta com agent nucleant. Reportem com l’àcid nucleic prèviament encapsulat pot ser alliberat si les condicions ambientals canvien, per exemple tornant-se lleugerament més àcides (Bertran et al., 2016). Com a conseqüència, postulem que l’ADN existent a les cèl·lules pot ser encapsulat per la hidroxiapatita protegint-lo contra atacs de l’entorn (per exemple, la influència de gasos tòxics, la radiació gamma o la degradació enzimàtica) fins que les condicions externes canvien i els àcids nucleics poder ser reintroduïts en el torrent principal de la vida. Discutim les implicacions d’aquest sistema híbrid a la història primitiva de la vida a la Terra, quan van ocórrer les grans catàstrofes que van donar lloc a extincions massives d’éssers vius. Tanmateix, estenem el concepte d’hidroxiolita a altres disciplines com la paleontologia, la biologia cel·lular, la biotecnologia i la medicina, considerant les hidroxiolites com a vectors no virals que poden introduir i alliberar ADN dins una cèl·lula (transfecció). Aquest àcid nucleic, si s’allibera en el citosol pot desencadenar l’expressió de proteïnes codificades en l’ADN introduït, o si s’allibera en el nucli podria recombinar-se amb el propi ADN de la cèl·lula diana de manera transitòria o permanent. A la segona part de la tesi, estudiem el sistema hidroxiolita des d’una perspectiva complementària. Especulem sobre les conseqüències de ser la hidroxiapatita l’actor principal del sistema i no l’àcid nucleic. Proposem que la hidroxiapatita pot actuar com un motlle inorgànic si es comporta com a substrat catalític que facilita la síntesi de molècules orgàniques, com les molècules que van donar lloc a la vida. A partir d’aquest concepte hem identificat un escenari prebiòtic, una erupció volcànica acompanyada de descàrregues elèctriques, fenomen que succeeix amb certa freqüència en funció de les característiques de l’erupció. La hidroxiapatita a la natura és coneguda per formar part de la composició de roques ígnies i de la cendra volcànica en petites però significatives quantitats. Al laboratori hem replicat aquestes condicions extremes i hem desenvolupat un procés de polarització mitjançant estimulació elèctrica i tèrmica, aplicant 1000 ºC i una diferència de potencial de 300 kV·m-1, que dóna com a resultat hidroxiapatita polaritzada permanentment que converteix el mineral en un catalitzador extraordinari comparat amb la hidroxiapatita i que té la capacitat de fixar nitrogen i carboni a partir d’una mescla de gasos composada per N2, CO2 i CH4 en presència d’aigua. El catalitzador, sota il·luminació de llum UV facilita la conversió d’aquests gasos en aminoàcids (Glicina i D/L-Alanina) i en molècules orgàniques simples a través d’un procés fotosintètic inorgànic. En aquest treball, desenvolupem un model prebiòtic que descriu com molècules senzilles van poder ser sintetitzades a partir d’atmosferes suaument reductores combinant models prebiòtics previs (volcans que es comporten com grans reactors, reaccions fotoquímiques que succeeixen a l’atmosfera sota el sol prebiòtic i minerals que actuen com a catalitzadors) sota el marc de la fotosíntesi inorgànica prebiòtica, un procés que podria ser considerat la pedra angular de l’aparició de les molècules que van donar lloc a la vida.El origen de las moléculas que dieron lugar a la vida y como la vida prosperó en la Tierra sigue siendo un tema del máximo interés para los investigadores del Origen de la Vida. En esta tesis discutimos conceptos, perspectivas de futuro e implicaciones del sistema que hemos denominado hidroxiolita (hydroxyolite), una combinación de biopolímeros con características muy especiales (ácidos nucleicos tales como el ADN y el ARN) y un mineral excepcional (hidroxiapatita). En primer lugar, en nuestros trabajos Revilla et al. (2013) y Bertrán et al. (2014) estudiamos como los cristales de hidroxiapatita tienen la capacidad de encapsular ADN o ARN cuando el ácido nucleico se comporta como un agente nucleante. A continuación, reportamos como el ácido nucleico previamente encapsulado puede ser liberado cuando las condiciones ambientales cambian, por ejemplo, cuando se vuelven ligeramente más ácidas (Bertrán et al., 2016). A consecuencia, postulamos que el ADN existente en las células puede ser encapsulado por la hidroxiapatita protegiéndolo contra ataques del entorno (por ejemplo, la influencia de gases tóxicos, la radiación gamma o la degradación enzimática) hasta que cambian las condiciones externas y los ácidos nucleicos pueden ser reintroducidos de nuevo en el torrente principal de la vida. A continuación, discutimos las implicaciones de este sistema híbrido en la historia primitiva de la vida en la Tierra, cuando ocurrieron las grandes catástrofes que dieron lugar a extinciones masivas de seres vivos (Turon et al., 2015). Asimismo, extendemos el concepto hidroxiolita, acuñado en la ciencia de materiales, a otras disciplinas como la paleontología, la biología celular, la biotecnología y la medicina, considerando las hidroxiolitas como vectores no virales que pueden introducir y liberar ADN dentro de una célula (transfección). Este ácido nucleico, si es liberado en el citosol puede desencadenar la expresión de proteínas codificadas en el ADN introducido, o si se libera en el núcleo podría recombinarse con el propio ADN de la célula diana de forma transitoria o permanente. En la segunda parte de la tesis, estudiamos el sistema hidroxiolita desde una perspectiva complementaria. Especulamos sobre las consecuencias de ser la hidroxiolita el actor principal y no el ácido nucleico. Proponemos que la hidroxiolita puede actuar como un molde inorgánico si se comporta como un sustrato catalítico que facilita la síntesis de moléculas orgánicas, como las moléculas que dieron lugar a la vida. Hemos identificado un escenario prebiótico basado en una erupción volcánica con descargas eléctricas, fenómeno que ocurre con cierta frecuencia en función de las características de la erupción. La hidroxiapatita es conocida en la naturaleza por formar parte de la composición de rocas ígneas y ceniza volcánica en bajas pero significativas concentraciones. Hemos replicado en el laboratorio estas condiciones extremas y hemos desarrollado un proceso de polarización mediante estimulación térmica y eléctrica, aplicando 1000ºC y una diferencia de potencial de 300 kV·m-1, que da como resultado hidroxiapatita permanentemente polarizada (Turón et al, 2016; PCT/EP2017/069437). Este proceso convierte el mineral en un catalizador extraordinario comparado con la hidroxiapatita y tiene la capacidad de fijar nitrógeno y carbono a partir de una mezcla de gases compuesta por N2, CO2 y CH4 (Rivas et al., 2018) en presencia de agua. El catalizador, bajo iluminación de luz UV, facilita la conversión de estos gases en aminoácidos (Glicina y D/L-Alanina) y en ácidos orgánicos simples a través de un proceso de fotosíntesis inorgánica. En este trabajo desarrollamos un modelo prebiótico que describe como moléculas sencillas pudieron ser sintetizadas a partir de atmósferas suavemente reductores combinando modelos prebióticos ya existentes (volcanes que se comportan grandes reactores, reacciones fotoquímicas que ocurren en la atmosfera bajo el sol prebiótico y minerales que actúan como catalizadores) bajo el marco de una fotosíntesis prebiótica inorgánica, un proceso que podría ser considerado la piedra angular en la que se basó la aparición de las moléculas que dieron lugar a la vida.Postprint (published version

Firm, stakeholders, value dynamics and social economic progress. The case of the Spanish pharmaceutical industry

La manera en que l’empresa crea valor és la primera etapa d’un cicle de dues fases. La segona és la distribució (apropiació) del valor creat a mans dels stakeholders. Com a conseqüència, les dinàmiques de valor són un eix central per comprendre com canvien les relacions entre l’empresa i els stakeholders amb el pas del temps, i com aquestes relacions condicionen el progrés econòmic i social de la societat. La teoria dels stakeholders no ha posat el focus en les dinàmiques de valor. Per estudiar les dinàmiques de valor ens hem centrat en el sector sanitari espanyol i la industria farmacèutica que hi opera. El treball ha sigut enfocat a comprendre l’efecte del sector públic espanyol que hem considerat el stakeholder principal. En el periode estudiat, el sector públic espanyol ha capturat una part significativa del valor creat per les empreses, fent ús del poder i capacitat d’influència que li atorga exercir el rol de regulador i client simultàniament. Aquest fet ha canviat la dinàmica de valor. En el segon capítol han estat analitzades en profunditat, en un estudi “pin factory”, les relacions entre una empresa multinacional que opera en el sector i els stakeholders implicats. Les característiques particulars dels stakeholders que intercanvien valor amb l’empresa permeten l’estudi de les dinàmiques de valor amb un nivell de detall que, fins a on arriba el nostre coneixement, no s’havia arribat fins el moment. Les dinàmiques d’influencia entre empresa i stakeholders també han sigut estudiades prenent com a referència el model de Frooman (1999) i les quatre proposicions que el conformen. Amb l’objectiu de contrastar el model, s’ha desenvolupat una nova metodologia basada en una aproximació econòmica que permet l’ús d’informació quantitativa. S’han formulat cinc hipòtesi que han estat contrastades estadísticament amb dades que provenen de la industria farmacèutica espanyola. Com a resultat, s’ha trobat un suport empíric significatiu pel model d’influències de Frooman. Finalment, en el quart capítol es tracta el concepte de progrés economic i social. Tal com van concloure els guanyadors del Premi Nobel, Joseph Stiglitz i Amartya Sen i el professor Jean-Paul Fitoussi (Stiglitz, Sen i Fitoussi 2009), les mesures de progrés social sovint es confonen amb mesures d’activitat econòmica, com ara el Producte Interior Brut (PIB). L’objectiu d’aquest capítol és desenvolupar un concepte i una mesura de progrés econòmic i social que integri ambdós, els aspectes econòmics i els aspectes socials. El concepte s’inspira en Davis (1947), precursor de la teoria dels stakeholders. Com a resultat, s’ha desenvolupat un marc analític on els factors econòmics i socials són mesurats conjuntament. En aquest context es té en consideració la responsabilitat social de l’empresa i la seva sostenibilitat.Stakeholder theory has scarcely dealt with value dynamics. The way the firm creates value is the first step of a two phase cycle. The second step is the distribution (appropiation) of the created value to the stakeholders. As a consequence the value dynamics is a central factor in order to understand the relationship between firm and stakeholders through time and how these relationships condition the social economic progress of society. The Spanish Health care sector has been used as a framework for the study of these dynamics, particularly putting the focus on the effect of the main stakeholder, the Spanish public sector, in its role of customer and regulator simultaneously. Using its power and its capacity of influence it has been able to change the value dynamics capturing a significant part of the value created by the firms. In the second chapter we have analyzed in depth the relationships between firm and stakeholder in a pin factory study focusing the attention on a multinational firm that operates in this market. The particular characteristics of the stakeholders involved allow the study of the value dynamics at a level of detail that has not been achieved in the past, to our knowledge. The dynamics of influences between firm and stakeholders have also been studied, taking as a reference Frooman’s model (1999) and its four propositions. A new methodology has been developed through an economic approach. It can be applied using quantitative data. Five hypotheses have been formulated and contrasted statistically with data coming from the Spanish pharmaceutical industry. We find strong empirical support for Frooman’s model. Finally, the fourth chapter is about social economic progress. As the Nobel Prize winners Joseph Stiglitz and Amartya Sen and Professor Jean-Paul Fitoussi (Stiglitz, Sen and Fitoussi 2009) concluded, measures of social progress are often confused with measures of economic performance, such as GDP. The purpose of this chapter is to develop a concept and a measure of social economic progress that integrates the economic and social aspects. The concept is inspired by Davis (1947), an early precursor of stakeholder theory. We develop an analytical framework where social economic progress and its components can be measured together with the social responsibility of the firm and its sustainability

Concepts, perspectives and implications of a hybrid system made of nucleic acids biopolymers and hydroxyapatite mineral

The origin of building blocks of life and how life thrived on Earth remains a topic of high interest for researchers of the Origin of Life. In this thesis, we deal with concepts, perspectives and implications of the system termed hydroxyolite, a combination of outstanding biopolymers (nucleic acids such as DNA and RNA) and an exceptional mineral (hydroxyapatite). First we study, based on Revilla et al. (2013) and Bertran et al. (2014), how hydroxyapatite forms crystals able to encapsulate DNA or RNA when nucleic acids are used as a nucleating template. Later, in Bertran et al., (2016), we reported the mechanism of how the encapsulated nucleic acid is released to the surroundings when environmental conditions change, for instance becoming more acidic. As a consequence, we postulated that DNA existing in cells can be encapsulated and protected by hydroxyapatite against environmental attacks (i.e. poisonous gases, gamma radiation or enzymatic degradation) until they change, making feasible the reintroduction of nucleic acids in the mainstream of life. We hypothesized about the implications of such a system in the early history of life when mass extinction events occurred on Earth (Turon et al., 2015). Moreover, we extended the hydroxyolite concept, borrowed from the materials chemistry, to other disciplines such as paleontology, biology, biotechnology and medicine by considering hydroxyolites as equivalents to non-viral vectors that can introduce and release DNA into a cell (transfection). Such nucleic acid triggers the expression of foreign proteins if released in the cytosol or might be recombined with cell genome when DNA is released in the target cell nucleus. In the second part of the thesis, we studied the hydroxyolite system from a complementary perspective. We speculate about the consequences of being hydroxyapatite the first actor and not the nucleic acid. We propose that hydroxyapatite might act as an inorganic mold if considered as a catalytic substrate that facilitates the synthesis of simple organic molecules as the building blocks of life. Thus, we identified a prebiotic scenario, a volcanic eruption under lightning, where a phenomenon known as dirty storm usually occurs under certain conditions. Hydroxyapatite is known in nature to be part of igneous rocks and volcanic ash in small but significant concentrations. We replicated in the laboratory such extreme conditions by developing a thermally and electrically stimulated polarization. A process performed at 1000 ºC and under a difference of potential of 300 kV·m-1, to obtain permanently polarized hydroxyapatite (Turon et al., 2016; PCT/EP2017/069437) that turned out to be an enhanced catalyst compared to hydroxyapatite able to fix nitrogen and carbon from a gas mixture of N2, CO2 and CH4 (Rivas et al., 2018). The catalyst, under UV light, converts them into amino acids (Glycine and D/L-Alanine) and small organic molecules by means of a new inorganic photosynthetic process. In this work, we develop an integrative prebiotic model that describes how simple molecules might be synthesized from mildly reducing atmospheres by combining previous models such as volcanos as giant reactors, minerals as catalysts and photochemical reactions in the atmosphere under prebiotic sun light. All of them under the framework of a prebiotic inorganic photosynthesis, a process that might be considered the corner stone of the rise of the building blocks of life.L’origen de les molècules que van donar lloc a la vida i com la vida va prosperar a la Terra segueix essent un tema del màxim interès pels investigadors de l’origen de la vida. En aquesta tesi, discutim conceptes, perspectives de futur i implicacions del sistema que hem anomenat hidroxiolita (hydroxyolite), una combinació de biopolímers amb característiques molt especials (àcids nucleics com l’ADN i l’ARN) i un mineral excepcional (hidroxiapatita). En primer lloc, en els treballs Revilla et al., (2013) i Bertran et al., (2014) estudiem com els cristalls d’hidroxiapatita tenen la capacitat d’encapsular ADN o ARN quan l’àcid nucleic es comporta com agent nucleant. Reportem com l’àcid nucleic prèviament encapsulat pot ser alliberat si les condicions ambientals canvien, per exemple tornant-se lleugerament més àcides (Bertran et al., 2016). Com a conseqüència, postulem que l’ADN existent a les cèl·lules pot ser encapsulat per la hidroxiapatita protegint-lo contra atacs de l’entorn (per exemple, la influència de gasos tòxics, la radiació gamma o la degradació enzimàtica) fins que les condicions externes canvien i els àcids nucleics poder ser reintroduïts en el torrent principal de la vida. Discutim les implicacions d’aquest sistema híbrid a la història primitiva de la vida a la Terra, quan van ocórrer les grans catàstrofes que van donar lloc a extincions massives d’éssers vius. Tanmateix, estenem el concepte d’hidroxiolita a altres disciplines com la paleontologia, la biologia cel·lular, la biotecnologia i la medicina, considerant les hidroxiolites com a vectors no virals que poden introduir i alliberar ADN dins una cèl·lula (transfecció). Aquest àcid nucleic, si s’allibera en el citosol pot desencadenar l’expressió de proteïnes codificades en l’ADN introduït, o si s’allibera en el nucli podria recombinar-se amb el propi ADN de la cèl·lula diana de manera transitòria o permanent. A la segona part de la tesi, estudiem el sistema hidroxiolita des d’una perspectiva complementària. Especulem sobre les conseqüències de ser la hidroxiapatita l’actor principal del sistema i no l’àcid nucleic. Proposem que la hidroxiapatita pot actuar com un motlle inorgànic si es comporta com a substrat catalític que facilita la síntesi de molècules orgàniques, com les molècules que van donar lloc a la vida. A partir d’aquest concepte hem identificat un escenari prebiòtic, una erupció volcànica acompanyada de descàrregues elèctriques, fenomen que succeeix amb certa freqüència en funció de les característiques de l’erupció. La hidroxiapatita a la natura és coneguda per formar part de la composició de roques ígnies i de la cendra volcànica en petites però significatives quantitats. Al laboratori hem replicat aquestes condicions extremes i hem desenvolupat un procés de polarització mitjançant estimulació elèctrica i tèrmica, aplicant 1000 ºC i una diferència de potencial de 300 kV·m-1, que dóna com a resultat hidroxiapatita polaritzada permanentment que converteix el mineral en un catalitzador extraordinari comparat amb la hidroxiapatita i que té la capacitat de fixar nitrogen i carboni a partir d’una mescla de gasos composada per N2, CO2 i CH4 en presència d’aigua. El catalitzador, sota il·luminació de llum UV facilita la conversió d’aquests gasos en aminoàcids (Glicina i D/L-Alanina) i en molècules orgàniques simples a través d’un procés fotosintètic inorgànic. En aquest treball, desenvolupem un model prebiòtic que descriu com molècules senzilles van poder ser sintetitzades a partir d’atmosferes suaument reductores combinant models prebiòtics previs (volcans que es comporten com grans reactors, reaccions fotoquímiques que succeeixen a l’atmosfera sota el sol prebiòtic i minerals que actuen com a catalitzadors) sota el marc de la fotosíntesi inorgànica prebiòtica, un procés que podria ser considerat la pedra angular de l’aparició de les molècules que van donar lloc a la vida.El origen de las moléculas que dieron lugar a la vida y como la vida prosperó en la Tierra sigue siendo un tema del máximo interés para los investigadores del Origen de la Vida. En esta tesis discutimos conceptos, perspectivas de futuro e implicaciones del sistema que hemos denominado hidroxiolita (hydroxyolite), una combinación de biopolímeros con características muy especiales (ácidos nucleicos tales como el ADN y el ARN) y un mineral excepcional (hidroxiapatita). En primer lugar, en nuestros trabajos Revilla et al. (2013) y Bertrán et al. (2014) estudiamos como los cristales de hidroxiapatita tienen la capacidad de encapsular ADN o ARN cuando el ácido nucleico se comporta como un agente nucleante. A continuación, reportamos como el ácido nucleico previamente encapsulado puede ser liberado cuando las condiciones ambientales cambian, por ejemplo, cuando se vuelven ligeramente más ácidas (Bertrán et al., 2016). A consecuencia, postulamos que el ADN existente en las células puede ser encapsulado por la hidroxiapatita protegiéndolo contra ataques del entorno (por ejemplo, la influencia de gases tóxicos, la radiación gamma o la degradación enzimática) hasta que cambian las condiciones externas y los ácidos nucleicos pueden ser reintroducidos de nuevo en el torrente principal de la vida. A continuación, discutimos las implicaciones de este sistema híbrido en la historia primitiva de la vida en la Tierra, cuando ocurrieron las grandes catástrofes que dieron lugar a extinciones masivas de seres vivos (Turon et al., 2015). Asimismo, extendemos el concepto hidroxiolita, acuñado en la ciencia de materiales, a otras disciplinas como la paleontología, la biología celular, la biotecnología y la medicina, considerando las hidroxiolitas como vectores no virales que pueden introducir y liberar ADN dentro de una célula (transfección). Este ácido nucleico, si es liberado en el citosol puede desencadenar la expresión de proteínas codificadas en el ADN introducido, o si se libera en el núcleo podría recombinarse con el propio ADN de la célula diana de forma transitoria o permanente. En la segunda parte de la tesis, estudiamos el sistema hidroxiolita desde una perspectiva complementaria. Especulamos sobre las consecuencias de ser la hidroxiolita el actor principal y no el ácido nucleico. Proponemos que la hidroxiolita puede actuar como un molde inorgánico si se comporta como un sustrato catalítico que facilita la síntesis de moléculas orgánicas, como las moléculas que dieron lugar a la vida. Hemos identificado un escenario prebiótico basado en una erupción volcánica con descargas eléctricas, fenómeno que ocurre con cierta frecuencia en función de las características de la erupción. La hidroxiapatita es conocida en la naturaleza por formar parte de la composición de rocas ígneas y ceniza volcánica en bajas pero significativas concentraciones. Hemos replicado en el laboratorio estas condiciones extremas y hemos desarrollado un proceso de polarización mediante estimulación térmica y eléctrica, aplicando 1000ºC y una diferencia de potencial de 300 kV·m-1, que da como resultado hidroxiapatita permanentemente polarizada (Turón et al, 2016; PCT/EP2017/069437). Este proceso convierte el mineral en un catalizador extraordinario comparado con la hidroxiapatita y tiene la capacidad de fijar nitrógeno y carbono a partir de una mezcla de gases compuesta por N2, CO2 y CH4 (Rivas et al., 2018) en presencia de agua. El catalizador, bajo iluminación de luz UV, facilita la conversión de estos gases en aminoácidos (Glicina y D/L-Alanina) y en ácidos orgánicos simples a través de un proceso de fotosíntesis inorgánica. En este trabajo desarrollamos un modelo prebiótico que describe como moléculas sencillas pudieron ser sintetizadas a partir de atmósferas suavemente reductores combinando modelos prebióticos ya existentes (volcanes que se comportan grandes reactores, reacciones fotoquímicas que ocurren en la atmosfera bajo el sol prebiótico y minerales que actúan como catalizadores) bajo el marco de una fotosíntesis prebiótica inorgánica, un proceso que podría ser considerado la piedra angular en la que se basó la aparición de las moléculas que dieron lugar a la vida

Concepts, perspectives and implications of a hybrid system made of nucleic acids biopolymers and hydroxyapatite mineral

The origin of building blocks of life and how life thrived on Earth remains a topic of high interest for researchers of the Origin of Life. In this thesis, we deal with concepts, perspectives and implications of the system termed hydroxyolite, a combination of outstanding biopolymers (nucleic acids such as DNA and RNA) and an exceptional mineral (hydroxyapatite). First we study, based on Revilla et al. (2013) and Bertran et al. (2014), how hydroxyapatite forms crystals able to encapsulate DNA or RNA when nucleic acids are used as a nucleating template. Later, in Bertran et al., (2016), we reported the mechanism of how the encapsulated nucleic acid is released to the surroundings when environmental conditions change, for instance becoming more acidic. As a consequence, we postulated that DNA existing in cells can be encapsulated and protected by hydroxyapatite against environmental attacks (i.e. poisonous gases, gamma radiation or enzymatic degradation) until they change, making feasible the reintroduction of nucleic acids in the mainstream of life. We hypothesized about the implications of such a system in the early history of life when mass extinction events occurred on Earth (Turon et al., 2015). Moreover, we extended the hydroxyolite concept, borrowed from the materials chemistry, to other disciplines such as paleontology, biology, biotechnology and medicine by considering hydroxyolites as equivalents to non-viral vectors that can introduce and release DNA into a cell (transfection). Such nucleic acid triggers the expression of foreign proteins if released in the cytosol or might be recombined with cell genome when DNA is released in the target cell nucleus. In the second part of the thesis, we studied the hydroxyolite system from a complementary perspective. We speculate about the consequences of being hydroxyapatite the first actor and not the nucleic acid. We propose that hydroxyapatite might act as an inorganic mold if considered as a catalytic substrate that facilitates the synthesis of simple organic molecules as the building blocks of life. Thus, we identified a prebiotic scenario, a volcanic eruption under lightning, where a phenomenon known as dirty storm usually occurs under certain conditions. Hydroxyapatite is known in nature to be part of igneous rocks and volcanic ash in small but significant concentrations. We replicated in the laboratory such extreme conditions by developing a thermally and electrically stimulated polarization. A process performed at 1000 ºC and under a difference of potential of 300 kV·m-1, to obtain permanently polarized hydroxyapatite (Turon et al., 2016; PCT/EP2017/069437) that turned out to be an enhanced catalyst compared to hydroxyapatite able to fix nitrogen and carbon from a gas mixture of N2, CO2 and CH4 (Rivas et al., 2018). The catalyst, under UV light, converts them into amino acids (Glycine and D/L-Alanine) and small organic molecules by means of a new inorganic photosynthetic process. In this work, we develop an integrative prebiotic model that describes how simple molecules might be synthesized from mildly reducing atmospheres by combining previous models such as volcanos as giant reactors, minerals as catalysts and photochemical reactions in the atmosphere under prebiotic sun light. All of them under the framework of a prebiotic inorganic photosynthesis, a process that might be considered the corner stone of the rise of the building blocks of life.L’origen de les molècules que van donar lloc a la vida i com la vida va prosperar a la Terra segueix essent un tema del màxim interès pels investigadors de l’origen de la vida. En aquesta tesi, discutim conceptes, perspectives de futur i implicacions del sistema que hem anomenat hidroxiolita (hydroxyolite), una combinació de biopolímers amb característiques molt especials (àcids nucleics com l’ADN i l’ARN) i un mineral excepcional (hidroxiapatita). En primer lloc, en els treballs Revilla et al., (2013) i Bertran et al., (2014) estudiem com els cristalls d’hidroxiapatita tenen la capacitat d’encapsular ADN o ARN quan l’àcid nucleic es comporta com agent nucleant. Reportem com l’àcid nucleic prèviament encapsulat pot ser alliberat si les condicions ambientals canvien, per exemple tornant-se lleugerament més àcides (Bertran et al., 2016). Com a conseqüència, postulem que l’ADN existent a les cèl·lules pot ser encapsulat per la hidroxiapatita protegint-lo contra atacs de l’entorn (per exemple, la influència de gasos tòxics, la radiació gamma o la degradació enzimàtica) fins que les condicions externes canvien i els àcids nucleics poder ser reintroduïts en el torrent principal de la vida. Discutim les implicacions d’aquest sistema híbrid a la història primitiva de la vida a la Terra, quan van ocórrer les grans catàstrofes que van donar lloc a extincions massives d’éssers vius. Tanmateix, estenem el concepte d’hidroxiolita a altres disciplines com la paleontologia, la biologia cel·lular, la biotecnologia i la medicina, considerant les hidroxiolites com a vectors no virals que poden introduir i alliberar ADN dins una cèl·lula (transfecció). Aquest àcid nucleic, si s’allibera en el citosol pot desencadenar l’expressió de proteïnes codificades en l’ADN introduït, o si s’allibera en el nucli podria recombinar-se amb el propi ADN de la cèl·lula diana de manera transitòria o permanent. A la segona part de la tesi, estudiem el sistema hidroxiolita des d’una perspectiva complementària. Especulem sobre les conseqüències de ser la hidroxiapatita l’actor principal del sistema i no l’àcid nucleic. Proposem que la hidroxiapatita pot actuar com un motlle inorgànic si es comporta com a substrat catalític que facilita la síntesi de molècules orgàniques, com les molècules que van donar lloc a la vida. A partir d’aquest concepte hem identificat un escenari prebiòtic, una erupció volcànica acompanyada de descàrregues elèctriques, fenomen que succeeix amb certa freqüència en funció de les característiques de l’erupció. La hidroxiapatita a la natura és coneguda per formar part de la composició de roques ígnies i de la cendra volcànica en petites però significatives quantitats. Al laboratori hem replicat aquestes condicions extremes i hem desenvolupat un procés de polarització mitjançant estimulació elèctrica i tèrmica, aplicant 1000 ºC i una diferència de potencial de 300 kV·m-1, que dóna com a resultat hidroxiapatita polaritzada permanentment que converteix el mineral en un catalitzador extraordinari comparat amb la hidroxiapatita i que té la capacitat de fixar nitrogen i carboni a partir d’una mescla de gasos composada per N2, CO2 i CH4 en presència d’aigua. El catalitzador, sota il·luminació de llum UV facilita la conversió d’aquests gasos en aminoàcids (Glicina i D/L-Alanina) i en molècules orgàniques simples a través d’un procés fotosintètic inorgànic. En aquest treball, desenvolupem un model prebiòtic que descriu com molècules senzilles van poder ser sintetitzades a partir d’atmosferes suaument reductores combinant models prebiòtics previs (volcans que es comporten com grans reactors, reaccions fotoquímiques que succeeixen a l’atmosfera sota el sol prebiòtic i minerals que actuen com a catalitzadors) sota el marc de la fotosíntesi inorgànica prebiòtica, un procés que podria ser considerat la pedra angular de l’aparició de les molècules que van donar lloc a la vida.El origen de las moléculas que dieron lugar a la vida y como la vida prosperó en la Tierra sigue siendo un tema del máximo interés para los investigadores del Origen de la Vida. En esta tesis discutimos conceptos, perspectivas de futuro e implicaciones del sistema que hemos denominado hidroxiolita (hydroxyolite), una combinación de biopolímeros con características muy especiales (ácidos nucleicos tales como el ADN y el ARN) y un mineral excepcional (hidroxiapatita). En primer lugar, en nuestros trabajos Revilla et al. (2013) y Bertrán et al. (2014) estudiamos como los cristales de hidroxiapatita tienen la capacidad de encapsular ADN o ARN cuando el ácido nucleico se comporta como un agente nucleante. A continuación, reportamos como el ácido nucleico previamente encapsulado puede ser liberado cuando las condiciones ambientales cambian, por ejemplo, cuando se vuelven ligeramente más ácidas (Bertrán et al., 2016). A consecuencia, postulamos que el ADN existente en las células puede ser encapsulado por la hidroxiapatita protegiéndolo contra ataques del entorno (por ejemplo, la influencia de gases tóxicos, la radiación gamma o la degradación enzimática) hasta que cambian las condiciones externas y los ácidos nucleicos pueden ser reintroducidos de nuevo en el torrente principal de la vida. A continuación, discutimos las implicaciones de este sistema híbrido en la historia primitiva de la vida en la Tierra, cuando ocurrieron las grandes catástrofes que dieron lugar a extinciones masivas de seres vivos (Turon et al., 2015). Asimismo, extendemos el concepto hidroxiolita, acuñado en la ciencia de materiales, a otras disciplinas como la paleontología, la biología celular, la biotecnología y la medicina, considerando las hidroxiolitas como vectores no virales que pueden introducir y liberar ADN dentro de una célula (transfección). Este ácido nucleico, si es liberado en el citosol puede desencadenar la expresión de proteínas codificadas en el ADN introducido, o si se libera en el núcleo podría recombinarse con el propio ADN de la célula diana de forma transitoria o permanente. En la segunda parte de la tesis, estudiamos el sistema hidroxiolita desde una perspectiva complementaria. Especulamos sobre las consecuencias de ser la hidroxiolita el actor principal y no el ácido nucleico. Proponemos que la hidroxiolita puede actuar como un molde inorgánico si se comporta como un sustrato catalítico que facilita la síntesis de moléculas orgánicas, como las moléculas que dieron lugar a la vida. Hemos identificado un escenario prebiótico basado en una erupción volcánica con descargas eléctricas, fenómeno que ocurre con cierta frecuencia en función de las características de la erupción. La hidroxiapatita es conocida en la naturaleza por formar parte de la composición de rocas ígneas y ceniza volcánica en bajas pero significativas concentraciones. Hemos replicado en el laboratorio estas condiciones extremas y hemos desarrollado un proceso de polarización mediante estimulación térmica y eléctrica, aplicando 1000ºC y una diferencia de potencial de 300 kV·m-1, que da como resultado hidroxiapatita permanentemente polarizada (Turón et al, 2016; PCT/EP2017/069437). Este proceso convierte el mineral en un catalizador extraordinario comparado con la hidroxiapatita y tiene la capacidad de fijar nitrógeno y carbono a partir de una mezcla de gases compuesta por N2, CO2 y CH4 (Rivas et al., 2018) en presencia de agua. El catalizador, bajo iluminación de luz UV, facilita la conversión de estos gases en aminoácidos (Glicina y D/L-Alanina) y en ácidos orgánicos simples a través de un proceso de fotosíntesis inorgánica. En este trabajo desarrollamos un modelo prebiótico que describe como moléculas sencillas pudieron ser sintetizadas a partir de atmósferas suavemente reductores combinando modelos prebióticos ya existentes (volcanes que se comportan grandes reactores, reacciones fotoquímicas que ocurren en la atmosfera bajo el sol prebiótico y minerales que actúan como catalizadores) bajo el marco de una fotosíntesis prebiótica inorgánica, un proceso que podría ser considerado la piedra angular en la que se basó la aparición de las moléculas que dieron lugar a la vida

Concepts, perspectives and implications of a hybrid system made of nucleic acids biopolymers and hydroxyapatite mineral

The origin of building blocks of life and how life thrived on Earth remains a topic of high interest for researchers of the Origin of Life. In this thesis, we deal with concepts, perspectives and implications of the system termed hydroxyolite, a combination of outstanding biopolymers (nucleic acids such as DNA and RNA) and an exceptional mineral (hydroxyapatite). First we study, based on Revilla et al. (2013) and Bertran et al. (2014), how hydroxyapatite forms crystals able to encapsulate DNA or RNA when nucleic acids are used as a nucleating template. Later, in Bertran et al., (2016), we reported the mechanism of how the encapsulated nucleic acid is released to the surroundings when environmental conditions change, for instance becoming more acidic. As a consequence, we postulated that DNA existing in cells can be encapsulated and protected by hydroxyapatite against environmental attacks (i.e. poisonous gases, gamma radiation or enzymatic degradation) until they change, making feasible the reintroduction of nucleic acids in the mainstream of life. We hypothesized about the implications of such a system in the early history of life when mass extinction events occurred on Earth (Turon et al., 2015). Moreover, we extended the hydroxyolite concept, borrowed from the materials chemistry, to other disciplines such as paleontology, biology, biotechnology and medicine by considering hydroxyolites as equivalents to non-viral vectors that can introduce and release DNA into a cell (transfection). Such nucleic acid triggers the expression of foreign proteins if released in the cytosol or might be recombined with cell genome when DNA is released in the target cell nucleus. In the second part of the thesis, we studied the hydroxyolite system from a complementary perspective. We speculate about the consequences of being hydroxyapatite the first actor and not the nucleic acid. We propose that hydroxyapatite might act as an inorganic mold if considered as a catalytic substrate that facilitates the synthesis of simple organic molecules as the building blocks of life. Thus, we identified a prebiotic scenario, a volcanic eruption under lightning, where a phenomenon known as dirty storm usually occurs under certain conditions. Hydroxyapatite is known in nature to be part of igneous rocks and volcanic ash in small but significant concentrations. We replicated in the laboratory such extreme conditions by developing a thermally and electrically stimulated polarization. A process performed at 1000 ºC and under a difference of potential of 300 kV·m-1, to obtain permanently polarized hydroxyapatite (Turon et al., 2016; PCT/EP2017/069437) that turned out to be an enhanced catalyst compared to hydroxyapatite able to fix nitrogen and carbon from a gas mixture of N2, CO2 and CH4 (Rivas et al., 2018). The catalyst, under UV light, converts them into amino acids (Glycine and D/L-Alanine) and small organic molecules by means of a new inorganic photosynthetic process. In this work, we develop an integrative prebiotic model that describes how simple molecules might be synthesized from mildly reducing atmospheres by combining previous models such as volcanos as giant reactors, minerals as catalysts and photochemical reactions in the atmosphere under prebiotic sun light. All of them under the framework of a prebiotic inorganic photosynthesis, a process that might be considered the corner stone of the rise of the building blocks of life.L’origen de les molècules que van donar lloc a la vida i com la vida va prosperar a la Terra segueix essent un tema del màxim interès pels investigadors de l’origen de la vida. En aquesta tesi, discutim conceptes, perspectives de futur i implicacions del sistema que hem anomenat hidroxiolita (hydroxyolite), una combinació de biopolímers amb característiques molt especials (àcids nucleics com l’ADN i l’ARN) i un mineral excepcional (hidroxiapatita). En primer lloc, en els treballs Revilla et al., (2013) i Bertran et al., (2014) estudiem com els cristalls d’hidroxiapatita tenen la capacitat d’encapsular ADN o ARN quan l’àcid nucleic es comporta com agent nucleant. Reportem com l’àcid nucleic prèviament encapsulat pot ser alliberat si les condicions ambientals canvien, per exemple tornant-se lleugerament més àcides (Bertran et al., 2016). Com a conseqüència, postulem que l’ADN existent a les cèl·lules pot ser encapsulat per la hidroxiapatita protegint-lo contra atacs de l’entorn (per exemple, la influència de gasos tòxics, la radiació gamma o la degradació enzimàtica) fins que les condicions externes canvien i els àcids nucleics poder ser reintroduïts en el torrent principal de la vida. Discutim les implicacions d’aquest sistema híbrid a la història primitiva de la vida a la Terra, quan van ocórrer les grans catàstrofes que van donar lloc a extincions massives d’éssers vius. Tanmateix, estenem el concepte d’hidroxiolita a altres disciplines com la paleontologia, la biologia cel·lular, la biotecnologia i la medicina, considerant les hidroxiolites com a vectors no virals que poden introduir i alliberar ADN dins una cèl·lula (transfecció). Aquest àcid nucleic, si s’allibera en el citosol pot desencadenar l’expressió de proteïnes codificades en l’ADN introduït, o si s’allibera en el nucli podria recombinar-se amb el propi ADN de la cèl·lula diana de manera transitòria o permanent. A la segona part de la tesi, estudiem el sistema hidroxiolita des d’una perspectiva complementària. Especulem sobre les conseqüències de ser la hidroxiapatita l’actor principal del sistema i no l’àcid nucleic. Proposem que la hidroxiapatita pot actuar com un motlle inorgànic si es comporta com a substrat catalític que facilita la síntesi de molècules orgàniques, com les molècules que van donar lloc a la vida. A partir d’aquest concepte hem identificat un escenari prebiòtic, una erupció volcànica acompanyada de descàrregues elèctriques, fenomen que succeeix amb certa freqüència en funció de les característiques de l’erupció. La hidroxiapatita a la natura és coneguda per formar part de la composició de roques ígnies i de la cendra volcànica en petites però significatives quantitats. Al laboratori hem replicat aquestes condicions extremes i hem desenvolupat un procés de polarització mitjançant estimulació elèctrica i tèrmica, aplicant 1000 ºC i una diferència de potencial de 300 kV·m-1, que dóna com a resultat hidroxiapatita polaritzada permanentment que converteix el mineral en un catalitzador extraordinari comparat amb la hidroxiapatita i que té la capacitat de fixar nitrogen i carboni a partir d’una mescla de gasos composada per N2, CO2 i CH4 en presència d’aigua. El catalitzador, sota il·luminació de llum UV facilita la conversió d’aquests gasos en aminoàcids (Glicina i D/L-Alanina) i en molècules orgàniques simples a través d’un procés fotosintètic inorgànic. En aquest treball, desenvolupem un model prebiòtic que descriu com molècules senzilles van poder ser sintetitzades a partir d’atmosferes suaument reductores combinant models prebiòtics previs (volcans que es comporten com grans reactors, reaccions fotoquímiques que succeeixen a l’atmosfera sota el sol prebiòtic i minerals que actuen com a catalitzadors) sota el marc de la fotosíntesi inorgànica prebiòtica, un procés que podria ser considerat la pedra angular de l’aparició de les molècules que van donar lloc a la vida.El origen de las moléculas que dieron lugar a la vida y como la vida prosperó en la Tierra sigue siendo un tema del máximo interés para los investigadores del Origen de la Vida. En esta tesis discutimos conceptos, perspectivas de futuro e implicaciones del sistema que hemos denominado hidroxiolita (hydroxyolite), una combinación de biopolímeros con características muy especiales (ácidos nucleicos tales como el ADN y el ARN) y un mineral excepcional (hidroxiapatita). En primer lugar, en nuestros trabajos Revilla et al. (2013) y Bertrán et al. (2014) estudiamos como los cristales de hidroxiapatita tienen la capacidad de encapsular ADN o ARN cuando el ácido nucleico se comporta como un agente nucleante. A continuación, reportamos como el ácido nucleico previamente encapsulado puede ser liberado cuando las condiciones ambientales cambian, por ejemplo, cuando se vuelven ligeramente más ácidas (Bertrán et al., 2016). A consecuencia, postulamos que el ADN existente en las células puede ser encapsulado por la hidroxiapatita protegiéndolo contra ataques del entorno (por ejemplo, la influencia de gases tóxicos, la radiación gamma o la degradación enzimática) hasta que cambian las condiciones externas y los ácidos nucleicos pueden ser reintroducidos de nuevo en el torrente principal de la vida. A continuación, discutimos las implicaciones de este sistema híbrido en la historia primitiva de la vida en la Tierra, cuando ocurrieron las grandes catástrofes que dieron lugar a extinciones masivas de seres vivos (Turon et al., 2015). Asimismo, extendemos el concepto hidroxiolita, acuñado en la ciencia de materiales, a otras disciplinas como la paleontología, la biología celular, la biotecnología y la medicina, considerando las hidroxiolitas como vectores no virales que pueden introducir y liberar ADN dentro de una célula (transfección). Este ácido nucleico, si es liberado en el citosol puede desencadenar la expresión de proteínas codificadas en el ADN introducido, o si se libera en el núcleo podría recombinarse con el propio ADN de la célula diana de forma transitoria o permanente. En la segunda parte de la tesis, estudiamos el sistema hidroxiolita desde una perspectiva complementaria. Especulamos sobre las consecuencias de ser la hidroxiolita el actor principal y no el ácido nucleico. Proponemos que la hidroxiolita puede actuar como un molde inorgánico si se comporta como un sustrato catalítico que facilita la síntesis de moléculas orgánicas, como las moléculas que dieron lugar a la vida. Hemos identificado un escenario prebiótico basado en una erupción volcánica con descargas eléctricas, fenómeno que ocurre con cierta frecuencia en función de las características de la erupción. La hidroxiapatita es conocida en la naturaleza por formar parte de la composición de rocas ígneas y ceniza volcánica en bajas pero significativas concentraciones. Hemos replicado en el laboratorio estas condiciones extremas y hemos desarrollado un proceso de polarización mediante estimulación térmica y eléctrica, aplicando 1000ºC y una diferencia de potencial de 300 kV·m-1, que da como resultado hidroxiapatita permanentemente polarizada (Turón et al, 2016; PCT/EP2017/069437). Este proceso convierte el mineral en un catalizador extraordinario comparado con la hidroxiapatita y tiene la capacidad de fijar nitrógeno y carbono a partir de una mezcla de gases compuesta por N2, CO2 y CH4 (Rivas et al., 2018) en presencia de agua. El catalizador, bajo iluminación de luz UV, facilita la conversión de estos gases en aminoácidos (Glicina y D/L-Alanina) y en ácidos orgánicos simples a través de un proceso de fotosíntesis inorgánica. En este trabajo desarrollamos un modelo prebiótico que describe como moléculas sencillas pudieron ser sintetizadas a partir de atmósferas suavemente reductores combinando modelos prebióticos ya existentes (volcanes que se comportan grandes reactores, reacciones fotoquímicas que ocurren en la atmosfera bajo el sol prebiótico y minerales que actúan como catalizadores) bajo el marco de una fotosíntesis prebiótica inorgánica, un proceso que podría ser considerado la piedra angular en la que se basó la aparición de las moléculas que dieron lugar a la vida

Decarbonization of polluted air by solar-driven CO2 conversion into ethanol using animal solid waste as catalyst

CO2 conversion to added value products using green processes in terms of source of energy, energy consumption, and/or management of raw materials obtained from waste materials are very attractive approaches for a modern sustainable society. In this work, such approaches are integrated, converting CO2 into ethanol by using polluted air as feeding gas. More specifically, recycled permanently polarized hydroxyapatite catalysts are prepared by applying a thermally stimulated polarization process to pork, beef, and chicken scrapped bones. The recycled bone catalysts are used to perform a series of reactions fed with polluted air and only powered with solar energy using a solar furnace. Reactions are conducted for 5 days and 1 month. Results demonstrate significant decarbonization, converting CO2 into valuable chemical products with high selectivity toward ethanol (up to 99.6%).Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Fine-tuning of polarized hydroxyapatite for the catalytic conversion of dinitrogen to ammonium under mild conditions

Polarized hydroxyapatite (p-HAp), a calcium phosphate catalyst obtained at high temperature under intense electric field, has been used for the synthesis of ammonium starting from N2 and liquid water at low pressure (<6 bar) and temperatures below 120 °C. The success of the nitrogen fixation process has been demonstrated by isotope labelling experiments using 15N2. Considering the optimal reaction conditions for the production of ammonium, the yield is as high as 154.6 ± 25.8 µmol/g of catalyst. The proposed synthesis exhibits three important advantages for its utilization in green chemistry environmental processes related to the recycling of polluted air. These are: i) the catalysts converts CO2 into valuable chemical products in addition of transforming N2 in ammonium; ii) the final energy balance is very favorable since no external electrical field is necessary to promote nitrogen and carbon fixation reactions; and iii) products are easily transferred to water favoring their extraction and avoiding the saturation of the catalyst.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Tailorable nanoporous hydroxyapatite scaffolds for electrothermal catalysis

Polarized hydroxyapatite (HAp) scaffolds with customized architecture at the nanoscale have been presented as a green alternative to conventional catalysts used for carbon and dinitrogen fixation. HAp printable inks with controlled nanoporosity and rheological properties have been successfully achieved by incorporating Pluronic hydrogel. Nanoporous scaffolds with good mechanical properties, as demonstrated by means of the nanoindentation technique, have been obtained by a sintering treatment and the posterior thermally induced polarization process. Their catalytic activity has been evaluated by considering three different key reactions (all in the presence of liquid water): (1) the synthesis of amino acids from gas mixtures of N2, CO2, and CH4; (2) the production of ethanol from gas mixtures of CO2 and CH4; and (3) the synthesis of ammonia from N2 gas. Comparison of the yields obtained by using nanoporous and nonporous (conventional) polarized HAp catalysts shows that both the nanoporosity and water absorption capacity of the former represent a drawback when the catalytic reaction requires auxiliary coating layers, as for example for the production of amino acids. This is because the surface nanopores achieved by incorporating Pluronic hydrogel are completely hindered by such auxiliary coating layers. On the contrary, the catalytic activity improves drastically for reactions in which the HAp-based scaffolds with enhanced nanoporosity are used as catalysts. More specifically, the carbon fixation from CO2 and CH4 to yield ethanol improves by more than 3000% when compared with nonporous HAp catalyst. Similarly, the synthesis of ammonia by dinitrogen fixation increases by more than 2000%. Therefore, HAp catalysts based on nanoporous scaffolds exhibit an extraordinary potential for scalability and industrial utilization for many chemical reactions, enabling a feasible green chemistry alternative to catalysts based on heavy metals.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Hydrolytic and enzymatic degradation of biobased poly(4-hydroxybutyrate) films. Selective etching of spherulites

Hydrolytic degradation of poly(4-hydroxybutyrate) (P4HB) films has been studied considering media of different pH values (i.e., 3, 7 and 10) and temperatures (i.e., 37 and 55 °C). Enzymatic degradation has also been evaluated at physiological conditions using two different lipases: Pseudomonas cepacia and Rhizopus oryzae. Different bulk and surface erosion mechanisms with random chain scissions and successive removal of monomer units have been supported through weight loss measurements, molecular weight determinations by GPC and NMR spectroscopy and changes on thermal properties by DSC. Thermal annealing during exposure to different media and even degradation influenced on the melting temperature and crystallinity of samples, as well as on the lamellar geometrical parameters as evaluated by SAXS. Enzymatic degradation was ideal to selectively eliminate the amorphous regions and highlight the spherulitic morphology. Presence of ringed textures were therefore evident in bright field optical micrographs in addition to SEM images, namely observations under polarized light was not necessary to distinguish the presence of banded spherulites. Rhizopus oryzae was revealed to be the most suitable enzyme to crop out the P4HB spherulites that form part of the initial smooth surfaces of solvent casting films. After determining the appropriate activity and exposure time, the presence of rings constituted by cooperative C-shaped edge-on lamellae and flat-on lamellae was highlighted.Peer ReviewedPostprint (author's final draft