Desde que su genoma fue completamente secuenciado en el año 1995, Mycoplasma genitalium es un patógeno humano que por sus características se considera el modelo ideal para poder estudiar el conjunto mínimo de genes necesarios para mantener todas las rutas biológicas indispensables en una célula crecida en laboratorio. A pesar de su simplicidad, confirmada por el tamaño reducido de su genoma (580 kb y tan solo 482 genes) y la falta de una pared celular, M.genitalium presenta una protrusión de la membrana que se extiende de uno de los polos de la célula, llamada Organela Terminal (TO), presente también en otras especies de Mycoplasmas. Diversos experimentos han puesto en evidencia como la TO esta involucrada en la adherencia, en la división celular, en la patogenicidad y motilidad de ‘gliding’ características de algunas especies de Mycoplasmas. El presente trabajo está centrado en la identificación y caracterización de las interacciones proteína-proteína en el ‘wheel complex’, una ultra-estructura con forma de cuenco que ha sido localizada en la en el extremo más proximal de la TO, cerca del cuerpo celular. También se resolvió a resolución atómica la estructura de MG491, una de las cuatro proteínas que se han localizado en el ‘wheel complex’. Como primer paso para llegar a entender el funcionamiento de la TO, se realizó un experimento de ‘screening’ mediante resonancia plasmónica de superficie (SPR) para detectar las posibles interacciones entre las proteínas MG200, MG219, MG386 y MG491. Además se emplearon resonancia magnética nuclear (RMN) y cromatografía de exclusión molecular (GCF) para corroborar y caracterizar las interacciones identificadas. El ensayo reveló que las cuatro proteínas participan en interacciones muy específicas a través de una extensa red de interacciones fuertes y débiles. En particular, la caja EAGR de MG200, un dominio característico que se encuentra sólo en algunas de las proteínas de TO, interactúa con 25 aminoácidos localizados en la región C-terminal de MG491, y que resultan ser necesarios para el correcto funcionamiento de MG491, como demostrado por experimentos realizados in vivo. El dominio C-terminal de MG200 se une a la región N-terminal de MG219. MG219 también interactúa a través de su dominio C-terminal con MG386 C-terminal, una región que contiene tres cajas EAGR no idénticas.Después de la introducción de cuatro metioninas en la secuencia de MG491, la estructura cristalina se resolvió por difracción anómala simple (SAD) de un constructo que incluye los primeros 308 residuos (MG491-Nt_63-205). La estructura reveló que MG491 forma un dímero de heterodímeros estructurales en los que los monómeros interactúan con los dos monomeros vecinos a través de dos interfaces diferentes. Los dos heterodímero, que tienen la mayor superficie de contacto, están relacionados por una transformación de ~ 72 ° de rotación y una pequeña traslación. En particular, dos conformaciones alternativas de un loop de 19 residuos localizado en la interfaz entre monómeros parecen ser cruciales para la estabilidad de los heterodímeros.Las interacciones identificadas entre las cuatro proteínas que forman el ‘wheel complex’, junto con la estructura de MG491-Nt_63-205 y los resultados obtenidos in vivo, proporcionan nuevos datos sobre la organización y el funcionamiento del ‘wheel complex’ y de toda la Organella Terminal. Esta información también se puede ampliar para el análisis de la ultraestructura de M. genitalium a medida que se determina por microscopía electrónica y por tomografía. / Since its genome was completely sequenced in 1995, human pathogen Mycoplasma genitalium has drawn the attention of the scientific community because its characteristics make it a perfect candidate to study the minimal set of genes necessary and sufficient to sustain all indispensable biological pathways in a viable cell. Despite its genomic simplicity (with a genome of 580 Kb and 482 protein coding genes, 387 considered essentials), M.genitalium presents a membrane extension protruding from one pole of the cell body, called Terminal Organelle (TO), that is present also in several other species of Mycoplasmas. Terminal Organelles have been demonstrated to be involved in adherence, cell division, pathogenicity and gliding motility. The present work is focused on the identification and characterization of protein-protein interactions in the wheel complex, a bowl-shaped ultra-structure within the Terminal Organelle that is located at the most proximal end, close to the cell body. The structure of MG491, one of the four proteins known to be part of the wheel complex, was also determined at close to atomic resolutions. As a first step to understand the functioning and assembling of the Terminal Organelle, mid-throughput Surface Plasmon Resonance (SPR) screening assays were used to detect positive binary interactions among wheel complex proteins MG200, MG219, MG386 and MG491. In addition, nuclear magnetic resonance (NMR) and gel filtration chromatography (GCF) were employed to corroborate and characterize the identified interactions. The assay revealed that the four proteins participate in very specific interactions via an extensive network of transient and stable interactions. In particular, MG200 EAGR box, a characteristic domain only found in proteins from the Terminal Organelle, interacts with a 25 amino acid residues from the C-terminal region of MG491, which has been demonstrated by in vivo experiments to be crucial for MG491 function. In addition, MG200 C-terminal region binds to the N terminal domain of MG219. The latter also interacts through its C-terminal domain with MG386 C-terminal, a region containing three non-identical EAGR boxes. After the introduction of four methionines in MG491 sequence, the crystal structure was solved by single-wavelength anomalous dispersion (SAD) from a construct spanning residues 1 to 308 (MG491-Nt-63-205). The structure revealed that MG491 forms a two-fold dimer of structural hetero-dimers in which monomers interact with its two neighbour subunits through two different interfaces. Subunits from the heterodimer presenting the largest surface contact are related by a transformation of ~72° rotation and a small screw translation. In particular, two alternative conformations of a 19 residues loop, which locates at the interface between monomers, appear instrumental for the stability of heterodimers. Interactions identified relating the four proteins forming the wheel complex, together with the unique structural peculiarities determined from the MG491 structure and the in vivo results, shed light into the organization and functioning of the wheel complex and of the whole Terminal Organelle. This information can also be extended to the analysis of the ultrastructure from M.genitalium as it is being determined by electron-microscopy and electron-tomography.

El genoma mitocondrial humano es una molécula circular de doble cadena localizada en la matriz mitocondrial. La transcripción del DNAmt se inicia a partir de tres promotores localizados en el D-loop, uno para la cadena ligera (L) y dos para la cadena pesada (H1 y H2). Las unidades de transcripción que se inician en H2 y en L producen una especie policistrónica gigante que cubre casi toda la cadena. En cambio, la transcripción iniciada en H1 se termina en el extremo 3’ del rRNA 16S. El papel principal de esta atenuación se debe al factor de terminación de la transcripción, mTERF. mTERF, es una proteína codificada en núcleo, cuya forma madura tiene 342 aminoácidos. Se ha descrito que se une a varios lugares estratégicos del DNA mitocondrial, donde controla procesos como la terminación de la transcripción o la pausa de la maquinaria de replicación mitocondrial. De estos lugares, el que presenta mayor afinidad es la secuencia de 28 pares de bases (DNA28pb) en el gen del tRNALeu(UUR) mitocondrial. Ensayos in vitro han demostrado que la unión de mTERF a esta región provoca la terminación de la transcripción del DNA mitocondrial en ambos sentidos. En este trabajo se estudia, desde un punto de vista estructural y mediante técnicas de cristalografía de proteínas, el complejo de mTERF con el DNA que contiene la secuencia de terminación. Durante la producción de mTERF recombinante, la proteólisis espontánea de la forma entera de la proteína (Arg56-Ala399) dio lugar a una variante corta, mTERF-ΔN (Arg99-Ala399) que mantenía la unión al DNA. Se determinó la estructura tridimensional del complejo con DNA de mTERF-ΔN a 2.4 Å de resolución. La disposición del DNA en el eje z del cristal provocó que los cristales de mTERF-ΔN en complejo con un DNA29pb, con un parámetro c de la celda unidad demasiado pequeño para albergarlo, presentaran graves problemas de anisotropía y desorden, dando lugar a mapas de densidad electrónica muy distorsionados. Se realizaron entonces ensayos de cristalización con oligonucleótidos de menor longitud, pudiéndose trazar y refinar el DNA y la proteína completa con los cristales de mTERF-ΔN en complejo con el DNA12pb. La estructura del fragmento ΔN se usó para resolver la estructura del complejo de mTERF entera con el DNA15pb a 3.1 Å de resolución. En estos cristales, la proteína interacciona mediante los subdominio N-terminal y C-terminal con dos moléculas de DNA simétricas que no interaccionan entre ellas y cuya posición relativa viene dada por un ángulo de ~36º. mTERF se une a la largo del surco mayor del DNA, estableciendo contactos con los fosfatos mediante 19 residuos y con bases nitrogenadas mediante 5 residuos. La estructura cristalográfica de mTERF consiste en nueve repeticiones estructurales, de TERF-I a IX, flanqueadas por un segmento N-terminal y una hélice α C-terminal. Cada motivo TERF está formado por unos 35 aminoácidos que se estructuran en tres hélices α (H1, H2 y H3) formando una superhélice trigonal levógira con un núcleo hidrofóbico central. La combinación de la conectividad en superhélice levógira con la propagación en tándem del motivo para formar un solenoide es única de las proteínas de la familia MTERF. En base a la estructura cristalográfica se generaron modelos para estudiar los complejos en solución mediante la técnica de SAXS. La representación gráfica del error asociado al ajuste entre la curva teórica de dispersión para cada modelo y la curva medida experimentalmente, presenta un mínimo, indicando que la unión de mTERF al DNA28pb se da preferentemente sobre una zona del DNA. Los ensayos de unión y especificidad de mTERF y las formas truncadas de ésta con el DNA28pb mediante geles nativos de retardo muestran que mTERF-ΔC y ΔN-mTERF-ΔC no unen DNA y que mTERF y mTERF-ΔN lo unen específicamente. / The human mitochondrial genome is a closed circular molecule located within the mitochondrial matrix. mtDNA transcription is initiated from tree promoters in the D-loop, one for L-strand (L) and two for the H-strand (H1 and H2). Transcription from H2 and L proceeds around the mtDNA circle, creating a polycistronic RNA. On the other hand, transcription initiated in H1 ends at the 3’end of rRNA 16S. The main role of this attenuation is due to the mitochondrial transcription termination factor mTERF. mTERF, is a nucleus-encoded protein whose mature form has 342 amino acids. It has been described that mTERF binds to several strategic mtDNA sites, where it controls processes such as transcription termination or pausing of the replication machinery. Among them, the 28bp sequence from the tRNALeuUUR gene shows the highest affinity of binding to mTERF. In vitro assays have shown that binding of mTERF to this site promotes termination of transcription bidirectionally. We study, from a structural point of view, the mTERF complex with the oligonucleotide containing the termination sequence. During recombinant mTERF production, spontaneous proteolysis of the full-length protein (Arg56–Ala399) yielded a shorter variant (Arg99–Ala399; mTERF-ΔN) yet DNA-binding form. The three-dimensional struc¬ture of mTERF-ΔN was determined from SeMet-derivatized crystals at 2.4Å resolution. In the first mTERF-ΔN-DNA crystals, the arrangement in the z-axis of the large 29bpDNA molecule, compared to the c parameter of the unit cell, caused severe problems of anisotropy and disorder, which resulted in low quality electron density maps. Then crystallization assays were performed with shorter oligonucleotides, being able to trace and refine the complex structure with mTERF-ΔN-12bpDNA crystals. The structure of ΔN fragment was used to solve the full-length mTERF structure at 3.1Å resolution in complex with 15bpDNA. In these crystals, two crystallographically related identical oligonucleotides related by ~36° are bound by two distinct regions of a single protein moiety, the N-terminal and C-terminal subdomains. mTERF wraps round the DNA along the major groove through 19 nonspecific interactions with both dsDNA backbone phosphates and 5 interactions with DNA nitrogen bases. mTERF consists of nine structural repeats, TERF-I–TERF-IX flanked by an N-terminal extended segment and a C-terminal α-helix C. Within each repeat, roughly 35 residues fold into three α-helices (H1, H2 and H3) that are arranged in a left-handed triangular superhelix around a central hydrophobic core. The combination of left-handed helical connec¬tivity with tandem propagation is unique to mTERF. Based on the crystallographic structure, we constructed models to study the complex in solution by small-angle X-ray scattering (SAXS). The graphical representation of agreement of each of the models to the experimental SAXS curve presents a minimum, indicating the specificity of the binding between mTERF and the 28bpDNA. The 28bpDNA binding affinity and specificity of mTERF and truncated forms, assayed by native gels, shows that mTERF-ΔC and ΔN-mTERF-ΔC do not bind DNA while mTERF and mTERF-ΔN bind it specifically.

El 129I està considerat un radionúclid perillós a causa del seu llarg temps de vida mitjana, la baixa interacció que presenta amb la majoria dels materials geològics i la seva rellevància biològica. L'activitat nuclear ha generat al voltant de 5068 kg de 129I, apareixent molt diluït en les deixalles aquoses de les centrals nuclears. Els hidròxids dobles laminars (HDLs) de Mg/Al han estat estudiats com materials adsorbents de iodur, fent proves amb diferents ràtios i diferents anions interlaminars. La capacitat d'adsorció es veu seriosament afectada per les propietats texturals del material, i els òxids mixtes derivats de les HDLs de carbonat amb ràtio Mg/Al 3/1 tenen la major capacitat d'adsorció, la qual s'incrementa amb l'aplicació d'ultrasons. HDLs de diferents composicions es van estudiar també com a possibles candidats per a la immobilització de iode (com iodat o com iodur) utilitzant diferents mètodes d'incorporació: coprecipitació, intercanvi aniònic i reconstrucció. La reconstrucció dóna la major incorporació de iodat, ca. El 54% enfront del ca. 40% que va aconseguir per coprecipitació. També es va estudiar l'estabilitat tèrmica dels materials i la pèrdua de iodat en contacte amb una solució. La pèrdua al escalfar a 453 K les mostres va ser molt significativa i també ho va ser la pèrdua de iodat en contacte amb aigua Milli-Q o salmorra. En l'etapa actual de la investigació es poden considerar els HDLs com a aptes per adsorbir iodur d'una solució però no són adequats per a un emmagatzematge a llarg termini de iode radioactiu. / El 129I está considerado un radionucleido peligroso debido a su largo tiempo de vida media, la baja interacción que presenta con la mayoría de los materiales geológicos y su relevancia biológica. La actividad nuclear ha generado alrededor de 5068 kg de 129I, apareciendo muy diluido en las desechos acuosos de las centrales nucleares. Los hidróxidos dobles laminares (HDLs) de Mg-Al con diferentes ratios y diferentes aniones interlaminares han sido estudiados como materiales adsorbentes de yoduro. La capacidad de adsorción se vió fuertemente afectada por las propiedades texturales del material, y los óxidos mixtos derivados de las HDLs de carbonato con ratio Mg/Al 3/1 tienen la mayor capacidad de adsorción, la cual se incrementa con la aplicación de ultrasonidos. HDLs de diferentes composiciones se estudiaron también como posibles candidatos para la inmovilización de yodo (como yodato o como yoduro) usando diferentes métodos de incorporación: coprecipitación, intercambio aniónico y reconstrucción. La reconstrucción da la mayor incorporación de yodato, ca. 54% frente al ca. 40% que alcanzó por coprecipitación. También se estudió la estabilidad térmica de los materiales y la pérdida de yodato en contacto con una solución. La pérdida del al calentar a 453 K fue muy significativa y también lo fue la pérdida de yodato en contacto con agua Milli-Q o salmuera. En la etapa actual de la investigación se pueden considerar a los HDLs como aptos para adsorber yoduro de una solución pero no son adecuados para un almacenamiento a largo plazo de yodo radiactivo. / 129I is considered to be a very hazardous radionuclide due to its long half-life, the low interaction that it presents with most geological materials and its biological relevance. The nuclear activity has generated around 5068 kg of 129I, present very diluted in liquid wastes from nuclear power plants. Mg-Al Layered double hydroxides (LDHs) with different ratios and interlayer anion have been studied as iodide adsorbent materials. Adsorption capacity was strongly affected by material textural properties, and the carbonate LDHs-derived mixed oxides with Mg/Al ratio of 3/1 showed the largest adsorption capacity, increased applying ultrasound. LDH of different compositions were studied as potential candidates for the immobilization of iodine (as iodate or iodide) using different incorporation methods: coprecipitation, anionic exchange and reconstruction. The reconstruction gives the highest iodate incorporation, ca. 54 % vs. ca. 40 % reached by coprecipitation. The thermal stability of the materials and the anionic release in contact with a solution was also studied. The iodine loss by heating at 453 K was very significative and the release of iodine in contact with Milli-Q water and brine solution. At the present stage of the research we may conclude, that LDHs can be considered as iodine scavengers for a short-term storage, but they are not suitable for a long-term storage of radioactive iodine.

Tesi realitzada a l'Institut de Biologia Molecular de Barcelona (IBMB-CSIC) / ARCIMBOLDO is an ab initio phasing method for macromolecular crystallographic X-ray diffraction data, which combines location of model fragments such as polyalanine α- helices with the program PHASER and density modification and main chain autotracing with the program SHELXE. The method has been named after the Italian painter Giuseppe Arcimboldo (1526-1593), who used to compose portraits out of common objects such as fruits and vegetables. Following the analogy, ARCIMBOLDO composes an unknown structure by assembling small secondary structure elements, which are conserved across families of unrelated tertiary structure. Exploiting this method requires a multi-solution approach due to the difficulty to recognize correct solutions at early stages. Moreover, phasing a structure starting from partial information provided by such a small percentage of the total model (around 10% of the main chain atoms) is challenging and requires evaluation of alternative hypotheses under statistical constraints to avoid combinatorial explosion. ARCIMBOLDO methods have proven successful in many cases of previously unknown structures[3] and also on a pool of test structures[4]. The program can accept any Sohnke space group and all the most frequent ones are represented in the pool of structures solved so far. In both studies data were collected in the most common protein space groups. Data quality is crucial for phasing methods, and particularly sensitive for ARCIMBOLDO, where low resolution (worse than 2.1 Å) and lack of completeness (less than 98%) drastically decrease the chance of success. Location of secondary structure elements is not indicated as phasing method for large structures or complexes (over 400 residues) unless very long helices are present and high resolution data are available. Such cases would require the placement of many fragments in order to assemble 10% of the main chain, which can lead to an unmanageable number of solutions. To approach correctly this different scenario we have implemented dedicated methods in ARCIMBOLDO_BORGES[7] and ARCIMBOLDO_SHREDDER[8]. These programs exploit libraries of folds or large search models and are described later in the text. The current implementation[4], coded in Python, is deployed as a standalone binary, freely available under registration from http://chango.ibmb.csic.es/download. The binary is compatible with common Linux distributions and latest versions of the Mac OSX operating system. Users can find online manuals, tutorials and documentation in our website. As of 30th April 2015, it has been downloaded 664 times and distributed to 121 research groups; furthermore, it has been installed in many European synchrotron facilities such as the Alba Synchrotron in Spain, the Diamond Light Source in United Kingdom and SOLEIL Synchrotron in France. The software is also available through SBGrid Consortium (https://sbgrid.org), a network of institutions across 19 countries, which provides a distributed grid network of computers to run structural biology software. We have recently started a collaboration with the San Diego Supercomputer Center (http://www.sdsc.edu) in California (USA), to develop optimized and dedicated versions of the programs for their platform with the aim of addressing difficult phasing cases. Due to this recent spread in the crystallographic community ARCIMBOLDO has been presented in many international conferences such as the International Union of Crystallography Meeting in Madrid (ES) 2011 and in Montreal (CA) 2014; the European Crystallographic Meeting in Bergen (NO) 2012, Warwick (UK) 2013; and many schools and workshops such as the International School of Crystallography in Erice (IT) 2012 and Macromolecular Crystallography School in Madrid (ES) 2014. This thesis is organised in the standard scientific format comprising five main parts: 1. INTRODUCTION: introducing the theoretical topics directly or indirectly related to the contents of the thesis and also discussing the state of the art of current scientific production related to the objective proposed. 2. OBJECTIVES: listing all general goals and particular aims of the doctoral project conducted. 3. MATERIALS AND METHODS: detailing the hardware and software environment, including third party software and algorithms employed in the project. 4. RESULTS AND DISCUSSION: presenting all the produced algorithms, software, experiments and tests that correspond to the prefixed objectives. 5. CONCLUSION: summarising the whole project and listing its achievements by the end of the doctoral studies. / ARCIMBOLDO es un método de resolución de estructuras macromoleculares cristalográficas ab intio, que combina la localización de pequeños fragmentos modelo tales como hélices alfa con modificación de la densidad electrónica y trazado automático de la cadena polipeptídica. El método ha sido denominado como el pintor italiano Giuseppe Arcimboldo, quien componía retratos con objetos comunes, tales como libros o vegetales. De modo análogo, nuestro método compone hipótesis estructurales colocando pequeños fragmentos de estructura, cuando la subestructura resultante es suficientemente próxima a la real, la modificación de la densidad electrónica muestra su “retrato”. Si por el contrario la hipótesis es incorrecta, el resultado es un mero “bodegón”. El presente trabajo se centra en el desarrollo de este método y su extensión del uso de fragmentos de estructura seundaria a pequeños plegamientos locales y estructuras terciarias derivadas de modelos de baja homología. • El método se ha caracterizado por necesitar computación masiva para tratar la enorme cantidad de hipótesis generadas, pero en el presente trabajo hemos implementado una versión tan optimizada que resuelve estructuras cristalográficas en una estación de trabajo única • Más allá de las hélices alfa de polialanina, se ha extendido el uso a fragmentos cortados de modelos de baja homología, desarrollando un método para determinar y extraer la subestructura de más similaridad contra los datos experimentales, en concreto la función de rotación. Implementación de SHREDDER. • La extensión del método ab initio del uso de estructura secundaria a terciaria requería utilizar librerías de hipótesis de plegamiento que representaran una vasta colección de posibilidades. Se ha desarrollado una herramienta para generar tales librerías, el programa BORGES y un formalismo subyacente basado en vectores característicos. • Desarrollo de un método e implementación de un programa para resolver estructuras empleando las librerías de plegamientos inespecíficos: ARCIMBOLDO_BORGES. Todos estos objetivos se han cumplido satisfactoriamente.

En aquest treball es descriu la determinació estructural mitjançant cristal·lografia de raigs X de la proteïna p4 del bacteriòfag phi29 en la seva forma lliure i en complex amb DNA.La proteïna p4 és essencial en el procés infectiu del bacteriòfag, ja que regula la transcripció dels seus gens, establint-se dues fases transcripcionals clarament diferenciades. Això permet separar en el temps la síntesi de proteïnes implicades en la replicació del DNA fàgic i la de les proteïnes estructurals que formen la partícula del bacteriòfag. Existeixen 3 llocs funcionals de unió de p4 en el genoma del bacteriòfag phi29, que es localitzen en una regió intergènica de 219 pb on es troben els 3 promotors més importants: el A2b, el A2c i el A3.En absència de la proteïna p4, els promotors A2b i A2c són transcripcionalment actius, mentre que el promotor A3, degut a l'absència de una caixa -35 en la seva seqüència és incapaç d'unir l'RNA polimerasa i es manté inactiu.En el moment en que la proteïna p4 és sintetitzada, aquesta s'uneix als seus llocs d'unió i produeix diferents efectes depenent del promotor que considerem. En el promotor A2b, el lloc d'unió de la proteïna p4 solapa amb la seva caixa -35 i impedeix la unió de l'RNA polimerasa inhibint-se la transcripció. En el promotor A2c, la proteïna p4 afavoreix la unió de l'RNA polimerasa però aquesta no pot realitzar la seva funció perque es produeix una sobreestabilització del complex i l'RNA polimerasa és incapaç d'alliberar-se del promotor. En el promotor A3, la proteïna p4 recluta l'RNA polimerasa permetent l'inici de la transcripció.La proteïna p4 va cristal·litzar en dos grups espacials, C2221 i P212121 en presència i absència d'un compost de platí, respectivament. L'obtenció de fases es va realitzar pel mètode MAD, recollint 3 conjunts de dades a diferent longitud d'ona de manera que les intensitats fossin diferents en les reflexions simètriques per l'efecte del platí com a dispersor anòmal. El model de la proteïna es va afinar fins a 3 Å en el grup espacial C2221 i aquest va servir per poder fer una cerca de reemplaçament molecular en el cristall P212121. En aquest grup espacial es va poder afinar el model fins a 2 Å.El complex format per la proteïna p4 i el DNA va cristal·litzar en el grup espacial P2, apareixent un complex per unitat asimètrica. El fasejat es va realitzar pel mètode del reemplaçament molecular utilitzant com a model de cerca un dímer de la proteïna p4 i un fragment ideal de DNA en conformació B.La proteïna p4 és una proteïna de 125 aminoàcids que s'uneix al DNA en forma de dímer. La unió de la proteïna al DNA provoca una corvatura de 70º. La unió es realitza de manera específica en la regió N-terminal de la proteïna i de manera inespecífica en la regió de dimerització. Els contactes realitzats amb l'esquelet de fosfat del DNA tenen com a objectiu fixar el solc menor de la molècula de DNA en una conformació comprimida. / This work describes the structural determination by X-ray crystallography of the phi29 bacteriophage protein p4, both bound and unbound to DNA.Protein p4 is essential for the bateriophage infective step, as it regulates its genes transcription, thus establishing two clearly differentiated transcriptional phases. This allows temporal separation of the phage protein synthesis: the proteins involved in phage DNA replication are synthesized first and the structural proteins that form the bacteriophage particle later. There are three p4 functional binding sites in phi29 genome, which are located in a 219bp long intergenic region where the three most important promoters (A2b, A2c and A3) are located.In p4 absence, A2b and A2c promoters are active, while A3 promoter, due to not having a -35 box in its sequence, is unable of binding RNA polymerase and remains inactive.When p4 protein is synthesized, it binds to its binding sites, thus producing different effects depending on the promoter. In A2b promoter, protein p4 binding site encloses the promoter -35 box, thus preventing RNA polymerase binding and transcription consequently. In A2c promoter, although protein p4 enhances RNA polymerase binding, the enzyme is unable to perform its function because the complex is overstabilized and so RNA polymerase cannot escape from the promoter. In A3 promotor, protein p4 recruits RNA polymerase, thus allowing transcription initiation.Protein p4 was crystallized in two different space groups, C2221 in presence of a platinum compost and P212121 in its absence. Phases were obtained by MAD, collecting 3 data sets at different wavelengths to have differences in the symmetric reflections intensities due to the effect as an anomal dispersor of the platinium. The protein model was refined up to 3 Å in the C2221 space group, and this model was used to perform a molecular replacement in the P212121 crystal. In this former space group, the model could be refined up to 2 Å .The complex formed by protein p4 and DNA was crystallized in P2 space group, with one complex per asymmetric unit. Molecular replacement was used for phase determination, taking a protein p4 dimer and an ideal DNA fragment in B conformation as a searching model.P4 is a 125 aminoacid long protein that binds DNA as a dimer. P4 binding to the DNA induces a 70º curvature on it. This binding is specific at the n-terminal region and unspecific at the dimerization area. The contacts with the phosphate backbone of the DNA fix the minor groove of the DNA molecule in a narrowed conformation.

La motivació d'aquesta tesi és l'aplicació de hidròxids dobles laminars (HDLs) en els camps de la catàlisi heterogènia, composite & síntesi de materials híbrids i per el muntatge de dispositius LED (light-emitting diode). La reacció catalítica estudiada en aquest treball es la eterificació de glicerol a poliglicerols de cadena curta fent servir MgAl i CaAl hidròxids dobles laminars (MgAl-HDLs i CaAl-HDLs, respectivament). Per estudiar l'efecte de la temperatura de calcinació en l'activitat catalítica, una mostra es va calcinar a més altes temperatures. El comportament catalític es va correlacionar amb les propietats àcid-base dels catalitzadors. L'estabilitat dels catalitzadors es va comprovar. Quan els HDLs són deslaminats, les nanolàmines carregades positivament es poden fer servir per la síntesi de composites i de materials híbrids. La deslaminació també facilita l'accès a la regió interlaminar dels HDLs. S'ha estudiat la deslaminació en diversos HDLs, obtinguts per síntesi directa i per reconstrucció de la barreja d'òxids calcinats. La reconstrucció dels CaAl-HDLs calcinats es va aconsegir mitjançant l'ús d'ultrasons i en presència de la sal apropiada, gràcies a la propietat d'efecte memòria dels HDLs. Diversos materials híbrids s'han sintetitzat mitjançant HDLs o argiles (saponites) en la presència de nanopartícules de CdTe. Aquests materials híbrids van ser caracteritzats òpticament. Amb l'objectiu de muntar un dispositiu LED basat en quantum dots (QDs), diveres matrius inorgàniques (HDLs i argiles) es van fer servir com a films per incorporar les nanopartícules de CdTe. Tres paràmetres es van estudiar a l'hora de disenyar aquests dispositius, tals com el número de deposicions alternades dels films de les matrius inorgàniques i les nanopartícules de CdTe, el tipus de metall fet servir en l'evaporació del cátode i l'ús d'annealing just abans de depositar el càtode. / La motivación de esta tesis es la aplicación de hidróxidos dobles laminares (HDLs) en los campos de catálisis heterogénea, composite & síntesis de materiales híbridos y para el montaje de dispositivos LED (light-emitting diode). La reacción catalítica estudiada en este trabajo es la eterificación de glicerol a poligliceroles de cadena corta usando MgAl y CaAl hidróxidos dobles laminares (MgAl-HDLs y CaAl-HDLs, respectivamente). Para estudiar el efecto de la temperatura de calcinación en la actividad catalítica, una muestra se calcinó a más altas temperaturas. El comportamiento catalítico se correlacionó con las propiedades ácido-base de los catalizadores. La estabilidad de los catalizadores se comprovó. Cuando los HDLs son deslaminados, las nanoláminas cargadas positivamente se pueden usar para síntesis de composites y de materiales híbridos. La deslaminación también facilita el acceso a la región interlaminar de los HDLs. Se ha estudiado la deslaminación en diversos CaAl-HDLs, obtenidos por síntesis directa y por reconstrucción de la mezcla de óxidos calcinados. La reconstrucción de los CaAl-HDLs calcinados se consiguió mediante el uso de ultrasonidos en la presencia de la sal apropiada, gracias a la propiedad de efecto memoria en los HDLs. Varios materiales híbridos se han sintetizado usando HDLs o arcillas (saponitas) en la presencia de nanopartículas de CdTe. Estos materiales híbridos fueron caracterizados ópticamente. Con el objetivo de ensamblar un dispositivo LED basado en quantum dots (QD-LEDs), varias matrices inorgánicas (HDLs y arcillas) se usaron como films para incorporar las nanopartículas de CdTe. Tres parámetros se estudiaron a la hora de diseñar estos dispositivos, tales como el número de deposiciones alternadas de los films de las matrices inorgánicas y las nanopartículas de CdTe, el tipo de metal usado en la evaporación del cátodo y el uso de annealing justo antes de depositar el cátodo. / The motivation of this thesis is the application of layered double hydroxides (LDHs) in the fields of heterogeneous catalysis, composite & hybrid materials synthesis and light-emitting diodes assembly. The catalytic reaction studied in this work is the etherification of glycerol towards short-chain polyglycerols using calcined MgAl and CaAl layered double hydroxides (MgAl-LDHs and CaAl-LDHs, respectively). In order to study the effect of the calcination temperature in the catalyst activity, one sample was calcined at different temperatures. The catalytic behaviour was correlated with the acid-base properties of the catalysts. The stability of the catalyst was checked. When LDHs are delaminated, the positively charged nanoplatellets obtained can be used for composite and hybrid materials synthesis. Delamination also facilitates the accessibility of the interlayer region of the LDHs. Delamination was studied on several CaAl -LDHs, obtained from direct synthesis and by reconstruction of the calcined mixed oxides. The reconstruction of calcined CaAl-LDHs was achieved using ultrasounds in the presence of the appropriate salt, because of the memory effect property of LDHs. Some hybrid materials were synthesized using LDHs or clays (saponites) in the presence of CdTe nanoparticles. These hybrid materials were optically characterized. With the aim of building light-emitting diodes based on quantum dots (QD-LEDs), several inorganic matrixes (LDHs and clays) were used as films to embed the CdTe nanoparticles. Three parameters were tested in the design of these devices, such as the number of alternated depositions of the matrix and nanoparticles films, the kind of metal used as cathode and the use of annealing prior to cathode deposition.

S'anomenen cristalls bifuncionals aquells que posseeixen simultàniament propietats d'òptica no lineal i propietats làser. Aquest tipus de materials són molt interessants ja que, combinant aquestes dues propietats, poden auto-generar radiació làser en la regió electromagnètica del blau (≈ 450 nm) o del verd (≈ 550 nm). Els materials làser d'estat sòlid que generen radiació làser en el rang electromagnètic visible (≈ 400-800 nm) tenen actualment un paper molt important en el desenvolupament tecnològic de dispositius làser i òptics en general ja que són interessants per un gran nombre d'aplicacions com són: l'emmagatzematge òptic d'informació d'alta densitat (HDVD, per exemple), reprografia, pantalles de color, medicina, biotecnologia, comunicacions submarines, comunicacions atmosfèriques transparents, etc.Aquest tipus de fonts làser compactes emetent en el visible poden ésser desenvolupades utilitzant un cristall bifuncional. Aquests làsers auto-dobladors de freqüència tenen associades menys pèrdues (absorció, reflexió i dispersió) que làsers dobladors de freqüència intracavitat, que significa que el disseny del ressonador és més simple i compacte. Actualment, la recerca en aquest camp està centrada en el desenvolupament de nous materials no-centrosimètrics que presentin propietats d'òptica no-lineal i que puguin allotjar ions làser actius, majoritàriament ions lantànid. Els materials d'òptica no-lineal tenen la capacitat de generar el segon harmònic de la radiació, és a dir, de doblar la seva freqüència. Si un material d'òptica no-lineal conté un ió lantànid que generi radiació làser en la regió infraroja d'aproximadament =1000 nm, podrà auto-doblar-ne la freqüència, és a dir, reduir-ne a la meitat la longitud d'ona, =500 nm, que correspon a la regió electromagnètica del blau o el verd.El fosfat doble de potassi i gadolini de tipus III, KGd(PO3)4 (KGP), que és objecte d'aquesta tesi doctoral, és un cristall d'estructura no-centrosimètrica i per tant amb el requisit estructural necessari per a posseir propietats d'òptica no-lineal. Es va plantejar l'objectiu de sintetitzar i caracteritzar aquest cristall i a més de substituir parcial o totalment l'ió gadolini per un ió lantànid actiu en la zona de 1000 nm, com són l'iterbi i el neodimi, per tal d'aconseguir desenvolupar un nou cristall auto-doblador de freqüència.Així doncs, l'objectiu de la present tesi doctoral va ésser l'estudi del creixement cristal.lí del KGP i del KGP dopat amb iterbi o neodimi i la seva posterior caracterització. Com que el fosfats doble de potassi i lantànid fonen incongruentment, és a dir, que es descomponen abans de fondre, és necessari utilitzar un mètode de creixement cristal.lí a partir de solució a alta temperatura per créixer cristalls. Aquest mètodes permeten créixer a una temperatura per sota la temperatura de fusió del material, i per tant evitar-ne la seva descomposició. El mètode que nosaltres em utilitzat per créixer monocristalls de KGP pur i dopat és l'anomenat top seeded solution growth-slow cooling (TSSG-SC), que permet créixer els cristalls lliures en la solució disminuint lentament la seva temperatura a partir de la temperatura se cristal.lització. Això permet obtenir cristalls volúmics amb formes cristal.logràfiques desenvolupades lliurament i determinades a partir de l'estructura cristal.lina. Després d'optimitzar el procés de creixement, hem aconseguitr sintetitzar cristalls lliures de macrodefectes i d'una mida suficient pel seu estudi i possible posterior aplicació. Posteriorment, els cristalls han estat caracteritzats estructuralment, físicament, òpticament i espectroscòpicament.Finalment, s'han realitzat experiències de laserat amb Yb:KGP, obtenint uns resultats força encoratjadors, ja que s'ha aconseguit generar radiació làser per primer cop en aquest cristall dopat amb iterbi amb un nivell de dopatge força baix.Com a conclusió i després dels resultats de l'estudi, podem dir que els cristalls de Yb:KGP i Nd:KGP poden ésser considerats com a candidats prometedors per a ser aplicats com a cristalls auto-dobladors de freqüència ja que s'ha provat la seva capacitat tant de generar segon harmònic com de generar radiació làser. / Bifunctional crystals are those in which the nonlinear optical process and the laser effect occur simultaneously. This kind of materials is very promising for compact solid-state laser designs operating in the visible because solid-state lasers operate mainly in the infrared. So, the nonlinear and laser properties can combine to generate blue (≈ 450 nm) or green (≈550 nm) laser radiation by self-frequency doubling. Solid-state laser sources operating in the visible spectral region (≈400-800 nm) play an important role in laser technology they are potentially interesting for numerous applications such as high-density optical data storage, reprographics, colour displays, medicine, biotechnology, submarine communications, transparent atmosphere communications, etc.Such compact laser sources can be managed from frequency conversion by nonlinear optical processes such as frequency doubling and sum-frequency mixing by using a bifunctional crystal. Such self-frequency doubling (SFD) lasers involve fewer losses (absorption, reflection and scattering) than the intracavity frequency doubling lasers, which means that resonator designs are simpler and more compact.Currently, efforts are focussed on the development of new noncentrosymmetric crystals with nonlinear optical properties to be used as a host for active laser ions, and mostly lanthanide ions. Nonlinear optical materials are able to double the frequency of the laser emission generated by the active ion hosted in it. Nonlinear crystals with suitable sites for lanthanide ions which emit in the infrared region around 1 m may be able to self-double the frequency, i.e. to reduce the wavelength to the half, =500 nm, which is in the blue or green spectral region.The aim of this doctoral thesis is to synthesize and characterize the type III double phosphate of potassium and gadolinium, KGd(PO3)4 (KGP), either undoped or doped ordoped with ytterbium or neodymium, both of them emitting in the 1 m region.The KGP crystal is noncentrosymmetric, so with the indispensable requirement to have nonlinear optical properties. We propose to use this crystal as a nonlinear host for alternatively ytterbium (Yb3+) or neodymium (Nd3+) to develop a new promising selffrequency doubling laser crystal to generate blue-green laser radiation.As double phosphates of potassium and lanthanide melt incongruently, i.e. they decompose before melting, a high-temperature solution growth method has to be used to growth the crystals. This kind of growth methods allows growing the crystal under its melting point and so avoiding its decomposition. We use the top seeded solution growth-slow cooling (TSSG-SC) to grow the undoped and Yb- or Nd-doped KGP single crystals. This kind of growth method allows to freely growing the crystals in the solution by slowly cooling its temperature from the crystallization temperature. It allows obtaining bulk crystals with freely developed crystallographic forms determined by the crystals structure. By optimizing the growth process, we have successfully grown macrodefect-free crystals large enough for later characterizations and possible final application. The crystals have been structurally, physically, optically and spectroscopically characterized. Finally, laser operation with Yb:KGP has been proved for the first time. Although the low ion doping level in the crystal, the rather high slope efficiency obtained with this first sample is rather promising for the future.In conclusion, single crystals of Yb:KGP and Nd:KGP can be regarded as a promising candidates to be applied as a self-frequency doubling crystals since it has been proved both the second harmonic generation ability and the laser operation.

Ytterbium and erbium doped RbTi1-xMxOPO4 (M = Nb or Ta) crystals.New laser and nonlinear bifunctional materials.L'objectiu d'aquesta tesi va ser millorar la qualitat dels cristalls de RbTi1-xNbxOPO4 dopatsamb Yb3+, obtinguts mitjançant la tècnica Top Seeded Solution Growth-Slow Cooling (TSSG-SC), itambé trobar un altre codopand el qual incrementés la concentració de Yb3+ en els cristalls deRTP, però sense reduir la resposta no lineal dels cristalls de RTP pur. Aquest ió codopandhauria de presentar les mateixes característiques que el Nb5+. Un altre objectiu d'aquesta tesi vaser l'obtenció d'una manera efectiva de fluorescència del Er3+, al voltant de 1.5 &#956;m, la qualdonarà lloc a l'obtenció de radiació làser a aquesta longitud d'ona. Per aconseguir aquest últimobjectiu, es van dopar cristalls de Nb:RTP amb la parella de ions actius Er3+/Yb3+, actuant elYb3+ per sensibilitzar el Er3+.Per aconseguir el primer objectiu proposat, millorar la qualitat i la mida dels cristalls deNb:RTP dopats amb Yb3+, es van optimitzar algunes condicions de creixement, tal com la rampade refredament aplicada durant el procés de creixement, el perfil tèrmic axial de la solució i laqualitat dels gèrmens emprats en les experiències de creixement. Amb aquestes modificacionses van obtenir cristalls de mida i qualitat suficients per tal de preparar mostres, en una de lesquals s'ha obtingut radiació làser al voltant de 1 &#956;m. Amb les mostres obtingudes també s'hapogut determinar la longitud d'ona fonamental per l'acord de fase no crític en la qual es donariala generació de segon harmònic de tipus II en el pla xy, determinant que seria possible obtenirradiació làser autodoblada en la regió espectral del verd en aquest pla a q = 90º i j &#8776; 45º.El segon objectiu, trobar un ió codopand, amb el qual es pogués obtenir aproximadamentla mateixa concentració de Yb3+ que l'obtinguda en cristalls de Nb:RTP, es va assolir utilitzant elTa5+ com a ió codopand. En cristalls volúmics de Ta:RTP es va aconseguir una concentració deYb3+ de 1.6×1020 ions/cm3 i l'eficiència de generació de segon harmònic obtinguda va ser un 80% de la del KTiOPO4 pur. Amb aquests resultats, podem pensar que en els cristalls de Ta:RTPdopats amb Yb3+ també es podria aconseguir radiació làser autodoblada en la regió espectral delverd.Pel que fa a l'augment de l'eficiència de la fluorescència del Er3+, mitjançant el codopatgede cristalls de Nb:RTP amb la parella d'ions actius Er3+/Yb3+, al voltant de 1.5 &#956;m, s'haaconseguit, fins i tot en mostres amb poca concentració de Er3+ (<1020ions/cm3).A més, cal afegir que també s'ha realitzat un estudi comparatiu entre la conductivitatiònica del RTP pur, del RTP crescut en solució de tungstè, Nb:RTP i Nb:RTP dopat amb Yb3+.Totes les mesures s'han realitzat en plaques polides perpendiculars a la direcció cristal logàficac, i dels resultats obtinguts s'han pogut extreure algunes conclusions. Que no hi ha diferènciesentre les conductivitats iòniques de cristall de RTP purs i els crescuts en flux de tungstè, peròen mostres de Nb:RTP la conductivitat augmenta considerablement, tenint una conductivitat del'ordre de l'obtinguda pel KTP (10-7-10-5 S/cm), i que les mostres de Nb:RTP dopades amb Yb3+presenten una conductivitat iònica lleugerament superior (10-8 S/cm) a la que presenten lesmostres de RTP (10-9 S/cm).Ytterbium and erbium doped RbTi1-xMxOPO4 (M = Nb or Ta) crystals.New laser and nonlinear bifunctional materials.The aim of this thesis was not only to enhance the quality and size of Yb dopedRbTi1-xNbxOPO4 (Nb:RTP) crystals obtained by the Top Seeded Solution Growth-Slow Cooling(TSSG-SC) technique, but also to find another codopand which increases the Yb3+ concentrationin RTP without reducing drastically the nonlinear optical response of pure RTP; so a codopandwhich shows the same characteristics of niobium. Another objective of this thesis was to obtainefficient fluorescence of Er3+ at around 1.5 &#956;m which would lead to laser action at thiswavelength, by codoping Nb:RTP with the pair Er3+/Yb3+, acting Yb3+ as a sensitizing ion of Er3+.To achieve the first objective proposed, enhance the quality and size of Yb:Nb:RTP, weoptimize some growth conditions, such as the cooling ramp applied during the crystal growthprocess, the thermal axial gradient of the solution and the quality of the crystals seeds used inthe crystal growths. With those modifications we obtain crystals with size and quality enough toprepare samples from which laser action at around 1 &#956;m has been obtained, for the first time ina crystal of the KTP family, and to determine the fundamental wavelength for non-critical type -II SHG in the xy plane, determining that in this plane, at q = 90º and j &#8776; 45º it will be possibleto obtain self-frequency doubling laser action in the green spectral range. The second objective,find a codopand with which Yb3+ concentration in RTP was in the range of the one obtained inNb:RTP, it was achieved by using tantalum. Firstly, it was determined how the RTPcrystallization region changes with the Ta5+ and Yb3+ introduction, and which was the optimalsolution composition to achieve a higher Yb3+ concentration. With this optimal solutioncomposition bulk crystal of Yb doped RbTi1-xTaxOPO4, grown by TSSG-SC technique, with a Yb3+concentration of 1.6×1020 ions/cm3 were obtained and the SHG efficiency of powdered sampleswas an 80 % of that of pure KTP. So, as the Yb3+ concentration obtained in Ta:RTP is of thesame order of the one obtained in Nb:RTP, the SHG efficiency is not drastically decreased, andthe refractive indexes measured at 632.8 nm do not differ significantly from the ones ofYb:RbTi1-xNbxOPO4, we can assume that in Yb:RbTi1-xNbxOPO4 crystals could also be possible toobtain self-frequency laser action in the green spectral range. About the enhancement of the IRfluorescence of Er3+ by codoping Nb:RTP with Yb3+, bulk crystals of codoped Er3+/Yb3+ Nb:RTPwere grown from solutions containing always the same Yb2O3 mol % and by modifying the Er2O3mol % added in the initial solution. The spectroscopic characterization of these crystals showsthe Er3+ fluorescence at around 1.5 &#956;m by pumping between 900 nm and 980 nm, even in thecrystals containing low Er3+ concentration (<1020ions/cm3).Moreover to these results, a comparative study between the ionic conductivity of pureRTP grown in its self flux, RTP grown in tungsten flux, Nb:RTP and Yb:Nb:RTP had beenperformed, in polished plates perpendiculars to c crystallographic direction, to see how itevolves in the mentioned crystals. The results obtained showed that there are no differencesbetween the ionic conductivity in RTP samples, grown in its self flux or in tungsten flux, but inNb:RTP the ionic conductivity increases considerably. Nb:RTP shows an ionic conductivity of theorder of the KTP one (10-7-10-5 S/cm), but in Yb:Nb:RTP the conductivity is only a little bithigher (10-8 S/cm) of the RTP one (10-9 S/cm).

Growth and Characterisation of RbTiOPO4: (Nb,Ln). A New frequency Doubling Crystal.Joan Josep Carvajal MartíFísica I Cristal·lografia de MaterialsDepartament de Química Física i InorgànicaUniversitat Rovira i VirgiliResumDes que Schawlow i Townes varen publicar que el principi del M.A.S.E.R. es podia estendre a la part òptica de l'espectre electromagnètic, i un any i mig més tard Mainman demostrava el primer làser, la importància d'aquest, tant per la societat, s'ha anat incrementant. Avui, els làser formen part de la nostra vida quotidiana.Actualment, l'interès en desenvolupar nous làser per l'emmagatzematge de dades i altres aplicacions s'ha incrementat gràcies a la recerca en làsers de semiconductors de banda ampla, generació d'harmònics per phase-matching en cristalls d'òptica no-lineal, quasi-phase-matching en cristalls, fibres òptiques i altres guies d'ona, i làsers d'up-conversion en cristalls i fibres. Els làsers d'estat sòlid compactes són útils en una amplia gamma d'aplicacions, com l'emmagatzematge de dades en alta densitat, projecció d'imatges en color, impressió làser, medicina, substitució dels làsers d'Ar, biofluorescència, comunicacions submarines, litografia estereogràfica, teràpia fotodinàmica.... Aquests nous làsers es poden aconseguir per processos d'up-conversion, que emeten a una longitud d'ona més curta que la de bombeig. Una alternativa interessant és la conversió de freqüència per processos d'òptica no-lineal. Els cristalls autodobladors de freqüència són cristalls d'òptica no-lineal amb posicions estructurals ocupades per ions actius làser, preferiblement Yb3+, que poden combinar l'emissió làser al voltant d'1 um amb la generació de segon harmònic de la matriu per produir emissió verda per autodoblatge de freqüència. L'objectiu principal d'aquesta Tesi Doctoral ha estat l'obtenció de cristalls de la família del KTiOPO4, coneguts per les seves excel·lents propietats d'òptica no-lineal, dopats amb ions lantànids (Ln). Hem mostrat que és poden obtenir cristalls de RbTiOPO4: (Nb,Ln) de bona qualitat òptica per la tècnica top-seeded solution growth amb un refredament lent de la solució, de mida útil per posteriors caracteritzacions i aplicacions, i amb una concentració de Ln similar a l'obtinguda en altres matrius làser i un codopant, que afavoreix l'entrada d'ions lantànids en la matriu a l'hora que fa de compensador de càrrega, com és el niobi (Nb5+). El refinament de l'estructura ha demostrat que tant el Nb com els lantànids substitueixen únicament al Ti en la xarxa cristal·lina. Mentre que el Nb5+ només substitueix al Ti en la posició Ti (1), degut a un efecte electrostàtic més que no pas estèric, els ions lantànids substitueixen als àtoms de Ti en els octàedres Ti(1)O6 i Ti(2)O6 amb la mateixa probabilitat. Un altre aspecte a destacar és l'habilitat del material per tal d'autocompensar-se elèctricament de la substitució pentavalent del Nb5+ a través de la creació de vacants de rubidi. L'evolució d'aquesta estructura amb la temperatura mostra com el canvi de fase de l'estructura ferroelèctrica depèn del contingut en Nb i que la substitució de Ti4+ pel parell (Nb5+-Rb+) estabilitza la fase d'alta temperatura d'aquests materials. La caracterització òptica de la matriu cristal·lina ha mostrat que l'increment de la birefringència de cristall possibilita l'increment de l'interval de doblatge de longituds d'ona que es pot efectuar amb aquests cristalls. L'àmplia finestra òptica juntament amb l'eficiència de conversió a segon harmònic mostren que aquesta és una bona matriu per hostatjar ions lantànids. Aquestes excel·lents propietats es mantenen fins i tot quan els ions lantànids es troben al cristall. Finalment, la caracterització espectrocòpia del ions actius ha mostrat que es pot obtenir una emissió eficient per part dels dos ions. Er3+b3+ la banda d'emissió ampla i l'elevada vida mitja obtingudes obren la possibilitat d'utilitzar aquests cristalls en aplicacions sintonitzables i de subpicosegons. Totes aquestes observacions ens duen a concloure que amb aquests cristalls es pot obtenir un nou material autodoblador de freqüència.Paraules clau: Òptica No-Lineal, Generació de Segon Harmònic, Autodoblatge de freqüència, Top-Seeded Solution Growth, KTiOPO4, RbTiOPO4, Difacció de raig X, Difracció de neutrons de pols.Growth and characterisation of RbTiOPO4: (Nb, Ln). A New Self-frequencyDoubling Crystal.Joan Josep Carvajal MartíFísica I Cristal·lografia de MaterialsDepartament de Química Física i InorgànicaUniversitat Rovira i VirgiliAbstract Since Schawlow and tornes reported that it should be possible to extend the maser principle to the optical frequency part of the spectrum and only one and a half years later. Mainman demonstrated the first laser, the importance of lasers to both science and society has increased dramatically. Today lasers are part of everyday life. Actually, the interest in developing compact blue and green laser sources for data storage and display applications has increased due to promising investigations into wide-gap semiconductor diode lasers, harmonic generation by phase matching in non-linear crystals, quasi-phase-matching in bulk, optical fibres and other waveguides, and up conversion lasers in crystals and fibers. Compact all-solid-state laser sources are needed for a variety of applications such as colour projection, high-density optical data storage, laser printing, medicine, Argon-laser replacement, biofluorescence, underwater communications, stereo lithography, photodynamic therapy. A class of these sources is achieved with up-conversion lasers emitting at a shorter wavelength than the pump source. An alternative to up-conversion lasing is frequency conversion by non-linear optical processes such as frequency doubling and sum-frequency mixing. Self-frequency doubling crystals are non-linear optical crystals with suitable sites for laser-active ions, preferably Yb3+, which can combine the 1 um laser emission of the active ions with the second harmonic generation properties of the host to produce green-laser radiation by self-frequency doubling. The aim of this Thesis was to investigate how to obtain crystals of the KTiOPO4 family, which are known for their excellent non-linear optical properties, doped with lanthanide (Ln) ions. This Thesis shows that high-optical quality RbTiOPO4(Nb,Ln) single crystals can be obtained by the top-seeded solution growth technique together with a slow-cooling of the solution, with large volumes useable for later characterisations and technical applications, and with a similar Ln concentration to that of other laser matrices. We introduced a codopant that enhances the concentration of Ln in the crystals at the same time that compensate the electrical charge of the framework. The refinement of the structure demonstrates that Nb and Ln ions only go to the Ti positions. Then, while Nb only substitutes Ti in the Ti(1) crystallographic position due to an electrostatic effect that an steric one, the lanthanide ion substitute Ti in both Ti(1)O6 octahedra with the same probability. Another interesting aspect to notice is the ability of the material to self-compensate the excess of electrical charge introduced by the pentavalent substitution of Nb5+ by the creation of Rubidium vacancies. The evolution of this structure with temperature showed that the transition from the ferroelectric phase to the paraelectric phase depended on the Nb content in the crystals, and that substituting Ti4+ by the (Nb5+-Rb+) pair stabilises the cubic high-temperature phase of these crystals. The optical characterisation of the host showed that the increase of birefringence in the crystals containing Nb causes the limit fundamental wavelength, at which second harmonic generation can be obtained, to shift to lower wavelengths. The large transparency window of the material and the conversion efficiency to second harmonic generation showed that this crystal is a good matrix to host lanthanide ions. These excellent properties are maintained even when the lanthanide ions is hosted in the crystalline matrix. Finally, the spectroscopic characterisation of the active ions showed that efficient emission can be obtained for Er3+ at 1.5 and 1.0 um, respectively. In the case of Yb3+ the broad emission band and the large lifetime obtained open up the possibility to use these crystals in tunable and subpicosecond applications. All these observations seems to converge in the conclusion that with these crystals a new self-frequency doubling material can be obtained.Keywords: Non-linear Optics, Second Harmonic Generation, Self-frequency Doubling, Top-Seeded Solution Growth, KTiOPO4, RbTiOPO4, X-ray Diffraction, Powder Neutron Diffraction.

En los últimos años, las capas delgadas ópticamente activas han adquirido una gran importancia, debido a sus aplicaciones en dispositivos ópticos integrados y dispositivos láser. Un láser de capa delgada requiere capas con una elevada concentración de ión activo y, que a su vez, tengan una elevada sección eficaz de absorción y emisión. Este tipo de láseres presentan como ventajas una mejor refrigeración axial del medio evitándose así problemas como el efecto lente. Los cristales monoclínicos de KRE(WO4)2 con RE=Y, Lu, son materiales utilizados como matrices láser de estado sólido debido a que permiten la substitución parcial o total de uno de los iones de su estructura, por otros iones activos en la emisión láser. Además, presentan una elevada estabilidad química. El objetivo de esta tesis ha sido la obtención de capas de Yb:KYW/KYW y Yb:KLuW/KLuW, de elevada calidad para la posterior realización de experimentos láser. El proceso de crecimiento ha sido optimizado con el principal objetivo de conseguir la máxima concentración de ión activo en las capas epitaxiales. Éstas han sido caracterizadas estructural y espectroscópicamente, mostrando resultados prometedores para la emisión láser. La última parte de esta tesis se ha dedicado al estudio de los experimentos láser, en los que hemos conseguido obtener radiación láser con una longitud de onda alrededor de los 1030 nm con una elevada pendiente de eficiencia, la cual en algunos casos ha excedido las publicadas previamente para los correspondientes monocristales dopados con iterbio.Keywords: Top Seeded Solution Growth, Liquid Phase Epitaxy, KRE(WO4)2, Materiales láser. / In the past few years, optically active thin layers have attracted much attention due to the possibility of using it in the integrated optics as well as thin disk laser technology. The thin disk laser concept need layers hundreds of microns thick highly doped with active ions and high absorption and emission cross section. The lasers based on thin films have the advantage of high beam quality with high efficiency, making possible to obtain high power with low thermal lensing.The crystals of the monoclinic tungstates, such as KRE(WO4)2 with RE=Y, Lu, are attractive materials to be used as solid state host doped with lanthanide ions as ytterbium due to the possibility of obtaining highly doped active media.The aim of this thesis is to investigate how to obtain thin layers of Yb:KYW/KYW and Yb:KLuW/KLuW, with quality enough for laser experiments. The growth process has been optimized in order to obtain crystalline layers with high ytterbium concentration. Structural and spectroscopic properties of these layers have been studied, suggesting that laser emission can be achieved.The last part of thesis is dedicated to study the laser experiments. We have achieved laser emission around 1030 nm with high slope efficiency, which in some cases exceeded the reported for the ytterbium doped bulk crystalsKeywords: Top Seeded Solution Growth, Liquid Phase Epitaxy, KRE(WO4)2, Laser materials