Las biomembranas constituyen la estructura de separación fundamental en las celulas animales, y son importantes en el diseño de sistemas bioinspirados. Su simulación presenta desafíos, especialmente cuando ésta implica dinámica y grandes cambios de forma o se estudian sistemas micrométricos, impidiendo el uso de modelos atomísticos y de grano grueso. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de un marco computacional para entender la dinámica de biomembranas inmersas en fluido viscoso usando modelos de campo de fase. Los modelos de campo de fase introducen un campo escalar contínuo que define una interfase difusa, cuya física está codificada en las ecuaciones en derivadas parciales que la gobiernan. Estos modelos son capaces de soportar cambios dramáticos de forma y topología, y facilitan el acoplamiento de distintos fenómenos físicos. No obstante, presentan desafíos numéricos significativos, como el alto orden de las ecuaciones, la resolución de frentes móviles y abruptos, o una eficiente integración en el tiempo. En esta disertación abordamos estos puntos mediante la combinación de una discretización espacial con métodos sin malla usando las funciones base locales de máxima entropía, y una formulación variacional Lagrangiana para acoplamiento elástico-hidrodinámico. La suavidad del método sin malla genera una aproximación precisa del campo de fase y puede lidiar fácilmente con adaptatividad local, la aproximación Lagrangiana extiende de manera natural esta adaptividad a la dinámica, y la formulación variacional permite una integración variacional temporal no linealmente estable y robusta. La implementación numérica de estos métodos en un entorno de computación de alto rendimiento ha motivado el desarrollo de un nuevo código computacional. Este código integra el estado del arte de las librerías en paralelo e incorpora importantes contribuciones técnicas para solventar cuellos de botella que aparecen con el uso de métodos sin malla en computación a gran escala. El código resultante es flexible y ha sido aplicado a otros problemas científicos en varias colaboraciones que incluyen flexoelectricidad, conformado metálico, fluidos viscosos o fractura en materiales con energía de superficie altamente anisotrópica. / Biomembranes are the fundamental separation structure in animal cells, and are also used in engineered bioinspired systems. Their simulation is challenging, particularly when large shape changes and dynamics are involved, or micrometer systems are considered, ruling out atomistic or coarse-grained molecular modeling. The main goal of this thesis is to develop a computational framework to understand the dynamics of biomembranes embedded in a viscous fluid using phase-field models. Phase-field models introduce a scalar continuous field to define a diffuse moving interface, whose physics is encoded in partial differential equations governing it. These models can deal with dramatic shape and topological transformations and are amenable to multiphysics coupling. However, they present significant numerical challenges, such as the high-order character of the equations, the resolution of sharp and moving fronts, or the efficient time-integration. We address all these issues through a combination of meshfree spacial discretization using local maximum-entropy basis functions, and a Lagrangian variational formulation of the coupled elasticity-hydrodynamics. The smooth meshfree approach provides accurate approximations of the phase-field and can easily deal with local adaptivity, the Lagrangian approach naturally extend adaptivity to dynamics, and the variational formulation enables nonlinearly-stable robust variational time integration. The numerical implementation of these methods in a high-performance computing framework has motivated the development of a new computer code, which integrates state-of-the-art parallel libraries and incorporates important technical contributions to overcome bottlenecks that arise in meshfree methods for large-scale problems. The resulting code is flexible and has been applied to other scientific problems in a number of collaborations dealing with flexoelectricity, metal forming, creeping flows, or fracture in materials with strongly anisotropic surface energy.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

Vegeu vcbresum1de1.pdf

In the last years, DNA arrays have attracted increasing attention among medical diagnosis and analytical chemists. The broad range of application that has been found for DNA arrays makes them an important analytical tool. DNA arrays are relevant for the diagnosis of genetic diseases, detection of infectious agents, study of genetic predisposition, development of a personalised medicine, detection of differential genetic expression, forensic science, drug screening, food safety and environmental monitoring.Despite the great promise of DNA arrays in health care and their success in medical and biological research, the technology is still far away from the daily use in the clinic and even more far away from their implementation in home-diagnosis such as glucose biosensors. Their principal problems are the high cost and difficulty of use, because it is required costly laboratory instruments and biology knowledge for the labelling of the DNA prior to the sample injection into the array.On the other hand, the requirements that a biosensor should include are to be easy-to use so that it do not need the previous label of the sample and the addition of reagents. It should give a sensitive response in short time, and it should also include cheap generic multi-analyte detection.The work carried out in this thesis describes new concepts of electrochemical biosensoric platforms based on oligonucleotides for detection of label-free DNA and protein, which include these requirements.Preliminary experiments of direct DNA electrochemical detection of labelled ssDNA were performed to establish a protocol of DNA immobilisation, hybridisation and detection colourimetrically and electrochemically. DNA real samples and multi-analite detection on an array developed by biocopatible photolithography were used.To avoid the analyte labelling to develop an easy to use and low cost device, a label-free electrochemical displacement of DNA sensor was described. The method of detection by displacement requires the pre-hybridisation of the capture probe immobilised on the electrode surface with a sub-optimum mutated oligonucleotide labelled with a redox molecule. Due to the higher affinity of the target that is fully complementary to the capture probe, the sub-optimum label can be displaced when the complementary target is introduced in the system. The decrease of the signal would verify the presence of the target and should be proportional to its concentration. Sub-optimum hybridisation displacement detection was demonstrated colourimetrically and electrochemically with a sub-optimum mutated oligonucleotide labelled with horseradish peroxidase (HRP), and a ferrocene sub-optimum mutated oligonucleotide was also detected electrochemically, which do not required the addition of reagents for its detection.Furthermore different strategies to develop an electrochemical oligonucleotide (aptamer) based sensor for reagentless and label-free protein detection was carried out. The most sensitive aptasensor achieved 30 fM of detection limit in just 5 minutes. / En els últims anys, els xips d'ADN han atret una atenció creixen en els camps de la diagnosis mèdica i la química analítica, degut a la seva portabilitat, sensibilitat, especificitat, ràpida resposta i l'ampli ventall d'aplicacions. Els xips d'ADN són rellevants per la diagnosis de malalties genètiques, detecció d'agents infecciosos, estudis de predisposició genètica, desenvolupament de medicina personalitzada, detecció d'expressió genètica diferencial, medicina forense, exploració de medicaments, seguretat alimentaria, defensa militar i monitorització mediambiental. Encara que els xips basats en oligonucleòtids per la detecció d'ADN i proteïnes siguin una gran promesa en medicina i recerca biològica, aquesta tecnologia es encara molt lluny del seu ús diari en el camp clínic i encara més lluny de poder ser comercialitzada per ús domèstic com ho han estat el biosensors de glucosa. Els seus principals problemes són el seu alt cost i la seva dificultat d'ús. Ja que per la seva utilització és necessari, previ a la injecció de l'analit en el biosensor, costosos instruments de laboratori i tècnics especialitzats en bioquímica pel marcatge i amplificació de les mostres d'ADN. En canvi els requeriments que un biosensor ha d'incloure són, ser fàcil d'utilitzar, per tant que l'analit no necessiti un marcatge previ i l'addició de reactius per la seva detecció. Aquest ha de donar una resposta ràpida i sensible a baix cost i ha de permetre la detecció en el mateix equip de diferent tipus d'analits.El treball fet en aquesta tesis descriu el desenvolupament de nous concepte de plataformes biosensòriques electroquímiques basades en oligonucleòtids per la detecció d'ADN i proteïnes no marcades prèviament, els quals inclouen aquest requeriments. Experiments preliminars per la detecció de l'hibridació d'ADN marcat es van portar a fi per tal d'establir un protocol per la immobilització, hibridació i detecció d'ADN colorimètricament i electroquímicament. És van utilitzar mostres reals d'ADN i sistemes de detecció de multi-analits en un xip desenvolupat per fotolitografia biocompatible.Per tal de no necessitar un marcatge previ de la mostres d'ADN i així simplificar i reduir el cost del futur biosensor es va desenvolupar un sistema electroquímic de desplaçament. El mètode lliure de marcatge es basa en el desplaçament de molècules d'oligonucleòtid mutat i marcat, els quals encara que continguin certes mutacions són capaços d'hibridar amb la sonda d'oligonucleòtid immobilitzat, però quan aquestes es troben en presència de l'analit desplaça la molècula mutada i marcada, disminuint així la senyal de manera proporcional en la concentració del analit. El sistema de desplaçament ha estat demostrat colorimètricament i electroquímicament utilitzant un marcatge d'HRP sobre el mutat i utilitzant un marcatge de ferrocè en l'oligonucleòtid mutat per tal de no necessitar afegir cap reactiu per la detecció de l'analit, També es van portar a fi diferents estratègies per desenvolupar un biosensor electroquímic basat en oligonucleòtids (aptamers) per la detecció de la proteïna trombina sense el previ marcatge d'aquest analit i sense necessitat d'afegir reactius per la detecció del analit. En el sistema mes sensible es va obtenir un límit de detecció de 30 fM en un temps de resposta de sols 5 minuts. / En los últimos años, los chips de ADN han atraído una atención creciente diferentes campos, debido a su portabilidad, sensibilidad, especificidad y rápida respuesta. Los chips de ADN son aplicados en diagnosis de enfermedades genéticas, detección de agentes infecciosos, estudios de predisposición genética, desarrollo de medicina personalizada, detección de expresión genética diferencial, medicina forense, exploración de medicamentos, columnas de separación, seguridad alimentaría, defensa militar y monitorización medioambiental. Aunque los chips basados en oligonucleótidos para la detección de ADN y proteínas tienen un gran futuro en diagnosis e investigación biológica, esta tecnología está aun muy lejos de su uso diario en el campo clínico y aun mas lejos de poder ser comercializado para uso doméstico como lo han sido los biosensores de glucosa. Sus principales problemas son su alto coste y su dificultad de uso. Para su utilización es necesario, previo a la inyección del analito en el biosensor, costosos instrumentos de laboratorio y técnicos especializados en bioquímica para el marcaje y amplificación de las muestras de ADN. En cambio los requerimientos que un biosensor ha de incluir son, ser fácil de utilizar, por tanto el analito no ha de necesitar un marcaje previo ni la adición de reactivos para su detección. Este ha de dar una respuesta rápida y sensible a bajo coste y ha de permitir la detección en el mismo equipo de diferentes analitos.El trabajo hecho en esta tesis describe el desarrollo de nuevos conceptos de plataformas biosensóricas electroquímicas basadas en oligonucleótidos para la detección de ADN y proteínas no marcadas previamente, los cuales incluyen estos requerimientos.Experimentos preliminares para la detección directa de la hibridación de ADN marcado se llevó a cabo para establecer protocolos para la inmovilización, hibridación y detección de ADN colorimétricamente y electroquímicamente. Se utilizaron muestras reales y sistemas de detección de multi-analitos en un chip desarrollado por fotolitografía biocompatible.Para no necesitar un marcaje previo de la muestra de ADN y así simplificar y reducir el coste del futuro biosensor se desarrolló un sistema electroquímico de desplazamiento. El método libre de marcaje se basa en el desplazamiento de moléculas de oligonucleótido mutado y marcado, el cual aunque contenga ciertas mutaciones es capaz de hibridar con la sonda de oligonucleótido inmovilizado, pero cuando estas se encuentran en presencia del analito desplaza la molécula mutada, disminuyendo así la señal de manera proporcional a la concentración del analito. El sistema de desplazamiento ha sido demostrado colorimétricamente y electroquímicamente utilizando marcaje de HRP sobre el mutado, así como un marcaje de ferroceno que no requiere la adición de reactivos para su detección. También se llevaron a cabo diferentes estrategias para desarrollar un biosensor electroquímico basado en oligonucleótidos (aptámeros) para la detección de trombina sin el previo marcaje de este analito, ni la adición de reactivos para la detección del analito. En el sistema más sensible se obtuvo un límite de detección de 30 fM en un tiempo de respuesta de solo 5 minutos

La concentració de proteïnes dels vins blancs és de l'ordre de miligrams per litre. Aquestes proteïnes presenten en el vi càrrega elèctrica positiva degut a que tenen un punt isoelèctric superior al pH del vi. Aquesta càrrega les fa reaccionar amb les substàncies carregades negativament en el vi, especialment polifenols i alguns clarificants addicionats. Aquestes proteïnes influeixen negativament en la qualitat dels vins degut a la tendència a precipitar i produir enterboliments però confereix al vi propietats positives pel que respecta a la estabilització de l'escuma en els vins escumosos i a la influència sobre la volatilitat de les molècules responsables de la aroma dels vins blancs, augmentant llur permanència. El treball realitzat ha consistit en la posta a punt d'un mètode de separació de les proteïnes dels vins per mitjà de tècniques de cromatografia en columna a baixes pressions, coneguda com FPLC. Aquest mètode te una gran precisió i repetibilitat. Així es poden separar les proteïnes del vi en una proteïna de 60 kDa i un nombre variable en una franja de 20 a 30 kDa, que presenten diferent càrrega elèctrica. La fracció de inferior massa molecular presenta un perfil de separació segons la carrega elèctrica diferent per las cinc varietats viníferes estudiades: chardonnay, pinot noir, macabeu, xarel.lo i parellada. S'observa una disminució de la concentració de proteïna durant el procés de vinificació que afecta a totes les fraccions separades; no obstant aquesta davallada és major a les fraccions de 20 a 30 kDa de més càrrega elèctrica positiva, el que s'explica per una més gran reactivitat en front als compostos amb carrega negativa en el vi. S'ha estudiat la influència del temps de contacte amb els baixos fins de fermentació sobre les diferents fraccions de proteïnes sense observar cap variació significativa pel fraccionament estudiat. Al llarg de la maduració s'ha detectat un increment de la concentració de proteïna a la fracció de baixa massa molecular, mentre que la fracció de 60 kDa es manté en concentracions similars en el període estudiat. D'aquesta fracció de 20 a 30 kDa s'ha constatat un increment més gran de les proteïnes amb menys càrrega elèctrica. Després d'analitzar el fraccionament de la fracció de 20 a 30 kDa per bescanvi catiònic de les cinc varietats viníferes durant dos anys s'han observat perfils característics per cada varietat vinífera que permeten classificar-les en funció de les fraccions obtingudes, el que fa pensar en una possible eina per la caracterització varietal. / Proteins are present in white wines in small amounts (a few milligrams per litre). These proteins have a positive electric charge because their isoelectric point is higher than the pH of the wine. This charge makes them react with the negatively-charged substances in the wine, particularly polyphenols or fining agents. These proteins have a negative effect on the wine quality due to their tendency to precipitate and produce cloudiness but they are also positive because they stabilize the foam in sparkling wines and increase the permanence of the molecules responsible for the aroma of white wines.The study consisted of establishing a method for separating proteins from wines using column chromatography techniques at low pressures known as FPLC. This method has high precision and repeatability. Thus the proteins in wine can be separated into a protein of 60 kDa and a variable number of proteins ranging from 20 to 30 kDa, which have different electrical charges. The fraction with the lowest molecular weight has a separation profile which depends on the electrical charge for the five grape varieties studied: Chardonnay, Pinot Noir, Macabeo, Xarel·lo and Parellada.The protein concentration decreases during the vinification process in all the separated fractions. However, this decrease is more pronounced in the fractions from 20 to 30 kDa which had larger positive charges because they react more to the negatively-charged compounds in the wine. The effect of the contact time between the low fermentation fines and the different protein fractions was studied but no significant variation in the fractioning studied was observed. Throughout the maturation the protein concentration was seen to increase in the low molecular weight fraction, while the concentration of the 60 kDa fraction hardly changed. In the 20 to 30 kDa fraction there was a greater increase in proteins with less electrical charge. The fractioning of the 20 to 30 kDa fraction by cationic exchange of the five grape varieties was analyzed for two years and characteristic profiles were observed for each variety which enables them to be classified according to the fractions obtained. This suggests that it may be a possible tool for characterizing varieties.

L'Ebre, al seu pas pels diversos assentaments localitzats en els 928 km de longitud, va rebent abocaments tant d'origen urbà com industrial i agrícola. Tots ells són transportats pel riu, alguns fins al Delta de l'Ebre. L'objectiu general del present projecte va ser la diagnosi de la situació actual del tram català del riu Ebre i de la comarca del Priorat, mitjançant l'avaluació del risc ambiental per a la població i l'ecosistema. Es van realitzar diverses anàlisis físico-químiques i es va determinar la concentració de varis metalls (Al, As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Tl, V i Zn) en 20 punts del tram català del riu Ebre i en 10 de punts a la comarca del Priorat (rius Siurana, Montsant i Cortiella). L'estudi es va realitzar en diferents matrius del sistema fluvial: aigua superficial, aigua filtrada, sediments superficials de ribera, biota fluvial i sòls superficials de la zona de ribera. Totes les dades es van integrar per tal d'avaluar els efectes potencials de les diferents fonts de contaminació sobre l'ecosistema. Per a l'avaluació del risc ambiental per a la població, es van prendre mostres d'aigua de consum i sòls superficials de les poblacions de ribera potencialment contaminades amb metalls. Es va calcular el risc potencial associat a la ingesta i l'absorció dèrmica de metalls de l'aigua, així com la ingesta, inhalació i absorció dèrmica dels metalls de les partícules de sòls. Les quantitats absolutes de metalls dipositades al Pantà de Flix, a causa de les activitats de la planta de fosfat bicàlcic, van ser elevades i representaven un perill potencial de contaminació de tot el tram de l'Ebre situat aigües avall. En general, tot i que no es va observar una contaminació puntual per metalls en l'aigua fluvial, els sediments i la biota fluvial de l'Ebre, especialment entre el Pantà de Flix i la desembocadura, mostraren una contaminació important per Hg, Cd, Cu, i Pb. No obstant això, els nivells de contaminació van ser, per a alguns metalls, superiors als de Flix. Els nivells en sediments i en biota indicaren que existia un cert escapament de Hg procedent de Flix. Al Priorat, les altes concentracions de Fe, Mn i Pb en sediments i biota del sistema fluvial, eren de tipus puntual i natural, i provenien principalment de l'erosió i arrossegament dels sòls de ribera. Amb els resultats obtinguts en aquest estudi, les concentracions detectades suposarien un cert risc toxicològic per l'ecosistema fluvial del riu Ebre. En general, es va observar que el risc ambiental potencial per a la població, associat als metalls amb efectes no cancerígens, va ser similar en els diferents trams del riu Ebre, tant per a nens com per a adults. Així mateix, l'excés d'As, Fe i Pb podria augmentar els efectes potencials de tipus no cancerigen en la població resident a la conca. La contaminació natural o antropogènica d'As i Cr de les poblacions del tram fluvial del riu Ebre, i de Cd en el cas del Priorat, podria augmentar el nombre de càncers en la població resident. Aquest risc no pot considerar-se com a assumible per part de la població segons els estàndards internacionals. En el present estudi, s'ha treballat sota una hipòtesi de pitjor escenari, que acostuma a portar a una sobrevaloració dels riscos. Per exemple, s'ha partit de la suposició de que tot l'As detectat en sòls i aigua de consum era As inorgànic, i que la relació entre el Cr total analitzat i el Cr (VI) era d'1 a 6. En conseqüència, caldria determinar l'especiació de l'As (orgànic i inorgànic: As(III) i As(V) i del Cr). Amb els resultats de l'especiació, s'hauria de tornar a avaluar el risc i la variabilitat associada a aquest risc que, molt possiblement, serien menors a les presentades aquí.Paraules clau: metalls, avaluació del risc per a la salut, avaluació del risc per a l'ecosistema, riu Ebre. / The Ebro River has traditionally concentrated an important number of industries and an intensive agricultural activity through its course of 928 km. The objective of the present study was the diagnosis of the current situation of the Catalan basin of the Ebro River and the Priorat County, by assessing the health risk for the population and the ecological risk. Diverse physico-chemical analyses were carried out and the concentration of several metals (Al, As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Tl, V and Zn) was determined in 20 sampling points in the Ebro River and 10 points in the Priorat County (Siurana, Montsant and Cortiella Rivers, all of them tributaries of the Ebro River). The study was done considering different matrices of the fluvial system: surface water, filtered water, riparian surface sediments, fluvial algae and riparian surface soils. All the data were integrated in order to evaluate the potential effects of the different sources of pollution on the ecosystem. For the environmental risk assessment for the population, samples of water and superficial soils in towns located in the riparian zone of the Ebro River potentially polluted with metals. The potential human health risk associated to the ingestion and dermal absorption of metals through water, as well as the ingestion, inhalation and dermal absorption of metals through soil particles was also calculated. Because of the activities of the chemical plant which manufactures solvents and chlorinated pesticides, the absolute amounts of metals deposited in the Flix Reservoir were very high, meaning a potential pollution of the Ebro River. In general terms, although a point pollution of metals was not observed in river water, the sediments and fluvial biota of the Ebro, especially between the Flix Reservoir and the the Ebro mouth, showed an important pollution for Hg, Cd, Cu, and Pb. Nevertheless, the pollution levels were, for some metals, even higher to those found in Flix. The concentrations of Hg in sediments and biota indicated that there was a certain leaching of Hg, coming from the Flix Reservoir. In the Priorat County, high levels of Fe, Mn and Pb were found in specific locations. They had a natural origin, coming mainly from the erosion and the dragging of the grounds in the riparian zone. The results obtained in this study showed that the detected concentrations would mean a certain toxicological risk for the fluvial ecosystem. In general terms, it was observed that the potential environmental risk for the population, associated with different metals with non-carcinogenic effects, was similar in the different stretches of the Catalan basin of the Ebro River, for both children and adults. Likewise, the excess of As, Fe and Pb could increase the potential non-carcinogenic effects in the population resident in the basin. The natural or anthropogenic pollution of As and Cr in water and soils collected in towns of the riparian zone of the Ebro River, as well of Cd in samples of the Priorat County, might increase the number of cancers in the resident population. This risk cannot be considered as assumable by the population, according to some international standards. In the present study, an hypothesis of worst-case scenario was considered. This assumption usually leads to an overestimation of risks. For instance, it was supposed that all the As present in soils and water was inorganic As, while the relation between total Cr and Cr (VI) was 1:6. Consequently, it would be necessary to carry out some speciation studies of As and Cr. Once these studies were done, the risk and the associated variability should be evaluated again, and the resulting values would probably be lower than those presented here.Key Words: metals, human health risk assessment, ecological risk assessment, Ebro River