El plomo es uno de los metales más nocivos para la salud humana y su incidencia en la misma deber ser tenida en cuenta debido a su amplia distribución en el medio ambiente. El catión Pb(II) interactúa preferentemente con proteínas que contienen Zn(II) (ALAD, CadC, GATA, dedos de Zn) y Ca(II) (CaM, PKC, syt) causando no sólo interferencias en algunos procesos metabólicos (principalmente la biosíntesis de hemoglobina), sino que también inhibe varias enzimas, provocando daños en el sistema nervioso central (SNC). Frente a estos efectos nocivos del Pb(II), los seres vivos han desarrollado mecanismos de defensa y detoxificación, entre los que se encuentran las metalotioneínas. Las metalotioneínas (MTs) son unas proteínas muy versátiles, presentes en la mayoría de organismos, cuyo inusual alto contenido en Cys les confiere una alta capacidad para enlazar metales pesados (Zn(II), Cd(II), Cu(I), Ag(I), Hg(II), Pb(II), etc.), tanto in vivo como in vitro, permitiéndoles actuar como agentes detoxificadores. En base a estos antecedentes y a los estudios desarrollados previamente por este grupo de investigación, en esta Tesis Doctoral se pretende estudiar el posible papel de “Las metalotioneínas de mamífero como agentes detoxificadores de Pb(II)”. Para ello, se estudia la habilidad coordinante de las diferentes isoformas de MTs de mamífero, MT1 y MT2 (ubicuas), MT3 (cerebro) y MT4 (epitelio escamoso estratificado), y de la MT de levadura, Cup1, frente a Pb(II). Simultáneamente, se analizan los factores experimentales (concentración de MT, Tª, pH y tiempo de estabilización) que pueden afectar a dicha coordinación. Estos estudios se han llevado a cabo mediante la utilización de técnicas espectroscópicas (DC y UV-vis), espectrométricas (ESI-TOF MS) y microcalorimétricas (ITC). Además, en este trabajo se ha intentado relacionar el carácter de Zn- o Cu-tioneína de las MTs estudiadas con su capacidad coordinante frente a Pb(II). Por este motivo, se ha incluido el estudio de una Cu-tioneína genuina como es la isoforma Cup1 de levadura. En general, los resultados obtenidos revelan una gran complejidad en la interacción de las MTs de mamífero con Pb(II), de manera que no se pueden hacer extrapolaciones sobre el potencial comportamiento de una determinada isoforma de MT frente a Pb(II) a partir de su carácter de Zn- o Cu-tioneína. Como resultados específicos, se sabe que MT3 es la que presenta una mayor capacidad detoxificadora frente al ión Pb(II) en condiciones similares a las fisiológicas (pH 7.0 y 37 ºC). Adicionalmente, se concluye que, entre los factores experimentales estudiados; el pH, es el que tiene mayor influencia en la formación y estabilidad de las especies Pb-MT. Por otra parte y en relación al carácter de Zn- o Cu-tioneína de las MTs, se ha comprobado que éste no determina completamente la eficacia de la coordinación del ión Pb(II) a la proteína, si bien influye en la manera en que el plomo se coordina a ella. / Lead is one of the major hazards in human health and its impact on it must be taken into account due to its wide distribution in the environment. The Pb(II) cation preferentially interacts with proteins containing Zn(II) (ALAD, CadC, GATA, Zn-fingers) and Ca(II) (CaM, PKC, syt) causing not only interferences in some metabolic processes (mainly the biosynthesis of hemoglobin) but also the inhibition of several enzymes and damages at the central nervous system (CNS). Living organisms have developed defense and detoxification mechanisms against these deleterious effects of Pb(II), among which we can find metallothioneins (MTs). MTs are among the most versatile metal-binding proteins present in all organisms. Their unusually high Cys content confers them a high capacity to chelate heavy metal ions (e.g. Zn(II), Cd(II), Cu(I), Ag(I), Hg(II), Pb(II)), both in vivo and in vitro, allowing them to act as detoxifying agents. Taking into account this background and the previous studies of our research group, in this PhD Thesis we intended to study the possible role of “The mammalian metallothioneins as detoxifying agents for Pb(II)”. To this end, we studied the coordinating ability of the different mammalian MT isoforms, MT1 and MT2 (ubiquitous), MT3 (brain-specific) and MT4 (stratified epithelium) and of yeast, Cup1, tpwards Pb(II). Simultaneously, we analyzed the experimental factors (concentration of MT, T, pH and stabilization time) that may affect such coordination. Spectroscopic (DC, and UV-vis), spectrometric (ESI-TOF MS) and microcalorimetric (ITC) techniques were used. In addition, the Zn or Cu-thionein character of the MTs under study was related to their Pb(II)-binding ability. As a reference, the genuine Cu-tioneína Cup1 from yeast was also studied following the same strategy. Overall, the results show a complex interaction between Pb(II) an each of the mammalian MTs. Therefore, the Pb(II)-binding abilities of a determined mammalian MT isoform cannot be extrapolated from its known Zn- or Cu-thionein character. Turning to specific results, we conclude that MT3 shows the highest Pb(II)-detoxifying capacity under conditions similar to the physiological ones (pH 7.0, 37 ºC). Furthermore, our results lead us to conclude that, among the experimental factors analyzed here, pH shows the highest influence on the formation and stability of the Pb-MT species. Moreover, it has been demonstrated that the Cu- or Zn-thionein character of MTs does not completely determine the efficiency of the Pb(II) coordination to the protein, but that it influences the way in which the lead coordinates to the protein.

La resistencia a la minería no es una novedad y sin embargo, la extracción de recursos se ha ido expandiendo material y geográficamente durante los últimos 150 años, llegando a nuevas fronteras, moviendo cantidades más grandes de tierra y agua e impactando a más comunidades. Las resistencias que han surgido contribuyen cada vez más a la forma de la frontera de extracción siendo a su vez un factor importante en la política económica de la expansión minera. Así pues, es cada vez más crucial entender porque surge resistencia social a la minería y como está evolucionando. Esta tesis focaliza la atención en el uranio, la fuente de la energía nuclear, estudiando las dinámicas industriales de la minería de uranio, los impactos e implicaciones a la salud, y la resistencia en la frontera de extracción del uranio en África. Namibia y Níger, los principales productores de uranio en África, están a la cabeza de lo que ha sido una fuerte demanda global de uranio parcialmente ralentizada por el accidente Tepco-Fukushima. Esta tesis propone tres factores que pueden ayudar a explicar el surgimiento e intensidad de la resistencia de comunidades locales a la minería de uranio: la ecología y la geografía del recurso, el grado y tipo de marginalización política y económica de la comunidad, y crucialmente, la creación de alianzas externas que conecten e integren las inquietudes locales con movimientos sociales más amplios y demandas globales. Muestro como estos tres elementos juegan un papel diferente en cinco comunidades en Namibia que están o estarán afectadas por la minería de uranio, y explico como las ecologías locales de resistencia dan forman, o no, a la frontera global del uranio. Los casos presentados tratan sobre radiación de bajo nivel causada por la minería de uranio que afecta la salud de los trabajadores y la de las comunidades cercanas a la mina. Con personas impactadas reclamando relaciones causales que no están probadas científicamente, el peso de probar su impacto queda relegado a las comunidades. A través de contactos, grupos de organización de base en Níger y Namibia están aliándose con científicos y produciendo nuevo conocimiento para protegerse de los impactos de la minería y confrontar la manufacturación de incertidumbre producida por las compañías mineras. Impulsado localmente, este proceso de ‘Activismo Movilizando Ciencia’ (AMS en inglés) da a los activistas visibilidad y legitimidad para transformarse en nuevos actores políticos y formar parte de una “comunidad extendida de iguales” (siguiendo el lenguaje de la ciencia post normal). Un segundo objetivo de esta tesis es descubrir como la resistencia a la minería ha evolucionado. Mientras huelgas, protestas y demandas relacionadas con temas laborales han dominado conflictos mineros a través de la historia, estamos viendo como en las últimas dos décadas comunidades que viven en las zonas aledañas a los proyectos mineros están oponiéndose cada vez más a los proyectos mineros por temas ambientales y objetando su falta de representación y participación en las decisiones que conciernen su desarrollo. Estos grupos están innovando con una combinación de narrativas locales y alternativas con discursos globales de derechos y justicia ambiental. Las alianzas entre escalas han permitido a grupos locales incrementar su conocimiento y visibilidad, actuar en contra de su débil posición en la cadena de producción y a la emergencia de diversas estrategias como juicios legales y consultas comunales. La respuesta del estado y de las compañías mineras a esta resistencia también se explora. La tesis concluye, que si bien los recursos y la geografía de un proyecto minero son factores determinantes en un conflicto socio-ambiental, el esfuerzo de una comunidad por adquirir reconocimiento y participar conduce a la conexión e integración de preocupaciones locales con exigencias políticas más amplias o a la producción de nuevo conocimiento, trayectos clave para la formación y éxito de movimientos de resistencia a la minería. / Resistance to mining is not new and nonetheless, resource extraction has been expanding materially and geographically during the last 50 years, reaching new frontiers, moving bigger quantities of soil and water and impacting more communities. The resistances that are emerging are becoming more relevant in shaping the commodity frontier and are an important factor in the political economy of mineral expansion. Thus, it has become crucial to understand why is resistance to mining emerging and how is it evolving. Bringing attention to uranium, the often forgotten source of nuclear power, this thesis studies the industrial dynamics of uranium mining, its impacts and health implications, and the resistance at the uranium mining frontier in Africa. Namibia and Niger, the main producers of uranium in Africa, stand at the forefront of what was a global uranium rush partially slowed down by the Tepco-Fukushima accident. This thesis proposes three enabling factors that help to explain the emergence and intensity of resistance by local communities to uranium mining: the ecology and geography of the resource; the degree and type of political and economic marginalisation of the community; and crucially, the creation of extra-local alliances that connect and integrate local concerns with broader social movements and global demands. I show how these three attributes play out differently in five Namibian communities that have been, or stand to be, affected by uranium mining, and explain how local ecologies of resistance shape, or fail to shape, the global uranium frontier. The cases presented deal with Low Level Radiation caused by uranium mining affecting workers' health and those of people living in nearby communities. With people impacted claiming causal links that are still not scientifically sustained, the burden of proof is left to the communities. Through extra-local contacts local grassroots organisations in Niger and Namibia are engaging with scientists to produce new knowledge to learn how to protect themselves from the impacts and confront the manufactured uncertainty and other information produced by the mining companies. Locally driven, this ‘Activism Mobilizing Science’ process gives activists visibility and legitimacy to become new political actors and form part of an ‘extended peer review’ community (in Post Normal science language). A second objective of this thesis aims at uncovering how resistance to mining has evolved. Whilst strikes, protest and demands linked to labour issues have dominated mining conflicts through history, we have seen how in the last two decades communities living in the surrounding areas of mining projects are increasingly opposing them on environmental grounds and objecting their lack of representation and participation in decisions concerning their development path. These groups are innovatively combining local narratives and alternatives with global discourses on rights (to clean water, to take decisions, indigenous rights) and environmental justice. Cross-scalar alliances have allowed local groups to increase their knowledge about the projects, give them visibility and comprehend and act against their weak position in the global commodity chain. These alliances have also contributed to the emergence of a diverse set of resistance strategies such as legal court cases, activist-scientist collaborations or "consultas" at community level to reject mining projects. The response of the state and the mining companies to resistance is also explored. The thesis concludes that whilst the resource and geography of a mining project are key determinants in a socio-environmental conflict, the community’s strive for participation and recognition drive the connection and integration of local concerns with broader political demands and the control or production of new knowledge, key paths in the formation and success of resistance movements to mining.

Entre los desórdenes causados por la expansión de repeticiones de trinucleótidos (TRED) se encuentra la Distrofia Miotónica de tipo 1 (DM1) causada por la expansión del triplete CTG y la Distrofia Miotónica de tipo 2 (DM2) causada por la repetición del tetranucleótido CCTG. Ambas afecciones son desórdenes multisistémicos con poca prevalencia en la población. Existen convincentes evidencias de que ambas patologías están causadas por los tránscritos de ARN expandido CUGexp y CCUGexp, respectivamente. El tránscrito de CUGexp forma una estructura secundaria de tipo horquilla en la que el tallo es muy similar a la forma A de un dúplex del ARN y contiene pares no canónicos U·∙U flanqueados por dos pares canónicos G‐C consecutivos. La estructura del tránscrito de CCUGexp es parecida, pero contiene dos pares no canónicos C·∙U consecutivos entre dos pares G-­‐C. Estas estructuras secundarias secuestran una proteína reguladora del procesado alternativo del ARN (MBNL1), afectando con ello las funciones celulares y causando el desarrollo de las enfermedades. Una buena aproximación para remediar estas patologías es utilizar pequeñas moléculas con gran afinidad por los tránscritos CUGexp y CCUGexp que sean capaces de desplazar MBNL1 o bloquear su unión. En este contexto, en la presente tesis doctoral se ha diseñado y validado una estrategia para reconocer los ARNs expandidos asociados a las distrofias miotónicas (DMs) mediante ligandos con estructura de poliamida (tipo PNA) que contienen las bases Janus 2,4,6-­‐triaminopirimidina (JT) y 6-­‐diamino-­‐4-­‐pirimidona (JD), que son capaces de unirse a los apareamientos no canónicos U·∙U y C·∙U, respectivamente. Cada una de ellas es capaz de introducirse entre las dos bases que conforman el par no canónico correspondiente y establecer un total de seis enlaces de hidrógeno al interaccionar como cuña Janus con ellos. Se han sintetizado los monómeros de PNA de ambas bases Janus y se han introducido mediante síntesis en fase sólida en oligómeros PNA de distinta longitud. Se han diseñado ligandos monoméricos, que contienen solo una de las bases, o diméricos, formados por dos módulos Janus ensamblados consecutivamente o separados mediante un espaciador de residuos de glicina. La afinidad y la selectividad de los ligandos se ha evaluado mediante técnicas biofísicas con dianas modelo de ARNs estructuradas como horquilla y que contienen dos repeticiones CUG o CCUG. Las técnicas biofísicas utilizadas han sido la desnaturalización térmica controlada por UV, el dicroísmo circular (DC), la calorimetría de valoración isotérmica (ITC), la resonancia magnética nuclear (RMN) y la espectrometría de masas (EM). Las afinidades de los ligandos diméricos, tanto con Janus JT como JD por sus ARN diana son elevadas, habiéndose determinado que los complejos tiene constantes de disociación del orden μM bajo. Sin embargo, la unión de los ligandos no modifica sustancialmente la estructura de horquilla de las dianas ni afecta a su estabilidad térmica. Por otro lado, los ligandos presentan selectividades importantes por sus respectivas dianas modelo de DM frente a otros ARN, lo que indica que se unen preferentemente a los pares no canónicos U·∙U y C·∙U frente a los pares canónicos de la misma diana o frente a otros motivos estructurales de ARN. En resumen, los ligandos preparados y evaluados pueden considerarse unos buenos cabezas de serie para el desarrollo de fármacos contra las DMs. / A variety of neurodegenerative disorders, such as myotonic dystrophies types 1 and 2 (DM1 and DM2, respectively) are associated with the expansion of tri-­‐ or tetranucleotide sequences (microsatellites) in RNA noncoding regions. In DM1, the expansion is an rCUG triplet repeat, whereas the DM2 expansion is an rCCUG quadruplet repeat. Both transcribed repeats fold into RNA hairpin structures with periodically repeated pyrimidine mismatches separated by two CG base pairs. In the case of DM1, the CUG repeat forms U·∙U mismatches, while in DM2 CCUG repeats give rise to two consecutive C·∙U mismatches. Despite having a different origin, both diseases present similar phenotypes. According to current evidence, the dramatically expanded CUG and CCUG repeats accumulated in nuclei are involved in the entrapment of the RNA splicing regulator muscleblind-­‐like 1 protein (MBNL1), compromising its function and leading to clinical symptoms. Based on these observations, one potential therapeutic strategy for these diseases is to prevent MBNL1 from binding the toxic RNA repeats. Therefore, our approach has been the design and synthesis of modified Peptide Nucleic Acid (PNAs) structures containing Janus bases capable of interacting as a wedge with the non-­‐canonical U·∙U and C·∙U pairs, namely 2,4,6-­‐triaminopyrimidine (JT) and 2,6-­‐diamino-­‐4-­‐pyrimidone (JD), respectively. The PNA monomers of JT and JD have been introduced by standard solid-­‐phase synthesis into different length PNAs. The ligands’ affinity has been tested on RNA hairpin models containing characteristic CUG or CCUG repeats by biophysical assays. UV-­‐Monitored melting curves, circular dichroism experiments and 19F‐NMR spectra indicate that the interaction takes place without a pronounced distortion of the RNA structure. The thermodynamic parameters of the interaction calculated from Isothermal Titration Calorimetry (ITC) studies show that ligands bind RNAs with low µM affinity. Moreover, both the determined stoichiometries and 1H-­‐NMR experiments confirm the hypothesis that these Janus bases recognize the pyrimidine U·∙U and C·∙U mismatches. The evaluation of the affinity of the best ligands for different RNAs structures demonstrates a great selectivity for RNAs containing U·∙U or C·∙U mismatches.

Tesi realitzada a l'Unitat de Química Combinatòria - Parc Científic de Barcelona (PCB-UB) / El término "polímero terapéutico" fue acuñado para describir fármacos poliméricos, polímeros conjugados a proteínas, fármacos y aptámeros, micelas de co-polímeros y vectores no-virales multicomponentes los cuales contienen algún enlace covalente. El polietilenglicol (PEG) es uno de los polímeros más empleado, convirtiéndose en la década de los 50, en el primer polímero terapéutico aprobado para su uso con humanos. El principal objetivo de esta tesis doctoral es explorar el uso de distintos sistemas basados en PEG para generar nanoconjugados de moléculas pequeñas y de proteínas, como método de mejora de las propiedades farmacocinéticas y farmacodinámicas. El 5-Fluorouracilo (5FU) es empleado como tratamiento de primera línea en el cáncer colorectal, pero su rápida catabolización a metabolitos inactivos, su corto tiempo de circulación en plasma y su baja acumulación en el tumor, han hecho que se planteen un gran número de estrategias para conseguir una biomodulación más adecuada. La estrategia presentada en esta tesis se basa en la síntesis de nanoconjugados de 5FU con dendrones de OEG, desarrollados en nuestro grupo de investigación. Estos dendrones están compuestos compuestos por un núcleo de DTPA y ramas de oligoetilenglicol (OEG) de tamaño definido y tienen cuatro posiciones equivalentes sobre las cuales se conjuga el derivado del fármaco 5FU, y una posición diferenciada, que se denomina punto focal, sobre cuya rama se une un fluoróforo o se acetila. La unión del 5FU al dendrón ha presentando grandes problemas de estabilidad que generaban compuestos asociados a la pérdida temprana parcial o total de unidades de 5FU contenido en los conjugados. A pesar de todo esto, se pudieron llevar a cabo varios estudios biológicos, entre los que cabe destacar un estudio de biosdistribución en ratones. A pesar que los conjugados 5FU-OEG-dendrón no presentaron toxicidad, su acumulación en tumor fue muy baja, proporcionando pocas ventajas respecto al fármaco libre. En el segundo capítulo se estudiaron distintos conjugados basados en PEG con el antitumoral 7-Et11-10-hidroxi-camptotecina (SN38). El SN38 es un derivado de la camptotecina, que a pesar de presentar una alta actividad frente a un gran número de tumores, tiene una baja solubilidad en disolventes acuosos o mezclas apropiadas para su administración in vivo. Nuestro objetivo era aprovechar las características solubilizadoras del PEG para generar nanoconjugados que fueran más solubles y facilitara así su administración. Como primera aproximación se realizaron conjugados del SN38 a dendrones de morfología idéntica a los ya empleados, pero con ramas de OEG de mayor peso molecular, aumentando así la relación en peso de PEG/SN38 y asegurándonos así una buena solubilidad. Estos dendrones fueron sintetizados pero no se pudieron caracterizar apropiadamente. Así se optó por una segunda estrategia donde se conjugaba el fármaco SN38 a cadenas lineales de PEG, las cuales podían contener o no un péptido director que previamente se había sintetizado junto con otros y seleccionado. Los resultados de la biodistribución in vivo de estos nanoconjugados mostraron resultados prometedores. Se consiguieron nanoconjugdos con buena solubilidad en medios acuosos y un claro incremento de la acumulación del fármaco en el tejido tumoral en el caso del conjugado que contenía el péptido director. En el tercer capítulo de la tesis se presentan nanoconjugados basados en la PEGilación a una proteína, la α-Galactosidasa A, empleada en terapia sustitutiva contra la enfermedad de Fabry. Se realizaron nanoconjugados con dos proteínas α-Galactosidasa A, expresadas de diferentes maneras, obteniendo patrones de PEGilación similares en ambos casos y con PEGs que contenían o no distintos péptidos directores. Algunos de estos conjugados presentaron resultados in vitro prometedores, ya que la internalización y eficacia mostrada por ellos no difería en gran medida de la mostrada por la proteína que actualmente es administrada en pacientes. Finalmente, también se estudió el uso de un derivado colesterol-PEG-péptido director en la formación de vesículas unilamelares pequeñas para la encapsulación de la proteína antes mencionada. Se ha demostrado que la introducción de nuestro sistema colesterol-PEG-péptido director proporciona sistemas más unilamelares, homogéneos respecto a su tamaño y que presentan una mayor internalización, directamente relacionada con la presencia del péptido director. / Polyethylenglycol (PEG) is one of the most employed therapeuthic polymers, being in the 50s, the first therapeuthic polymer to be approved for human use. The main objective of this PhD project is to explore diverse type of PEG and OEG-based conjugates as drug delivery systems of small drugs or proteins, with the aim to improve drug pharmacokinetics and pharmacodynamics properties. First, a drug delivery system based on a conjugate of the drug 5-Fluorouracil (5FU) with an OEG-based dendrimer was described. 5FU is a drug used in the treatment of colorectal cancer, but its quick catabolization in inactive metabolits, short half-live time in plasma and low accumulation in tumor makes necessary new strategies to improve its biomodulation. Here, the proposed PEGylated platform was a dendron structure composed by four oligoethylenglycol arms linked to a DTPA core, that contains 5FU linked through the functional group of each of the four equivalent arms. A biodistribution study demonstrated that despite OEG-dendron-5FU conjugate is not toxic, presented a low accumulation in tumor and a quick renal elimination. Secondly, we present a new conjugate based on the use of 7-Ethyl-10-hydroxy-camptothecin (SN38) as a drug. Our objective was to take advantage of the properties of PEG as solubilizer to improve the administration of SN38. The designed systems were highly soluble in aqueous solutions and biodistribution experiments in vivo showed differences between the conjugate that contain a targeting peptide (SN38-PEG- TCP-1) to those without (SN38-PEG). The results showed a clear effect in the drug accumulation in cancer tissues when the drug delivery system contains a specific targeting moiety. The third chapter of this work is an example of a protein PEGylation. The protein to be PEGylated was a-Galactosidase A, which is used as enzymatic replacement theraphy for the treatment of Fabry disease. Some of the conjugates showed promising results in vitro preliminary studies. In this last chapter were also presented the results obtained with liposomes that contained cholesterol-PEG-peptides on its composition and the use of these liposomes as drug delivery system for a-Galactosidase A.

In this thesis we have studied the vortex dynamics in type-2 superconducting thin films made of La1.82Sr0.18CuO4, patterned Pb and MgB2, by means of the combination of microwave, dc and ac measurements. In particular, we explore first the magnetic moment response in real time under continuous and pulsed microwave mode, and second commensurability effects both in presence of microwave fields under ac susceptibility mode and using microwave reflection spectrometry. To carry out these measurements, we have designed and developed a low-temperature microwave setup to be used inside of an rf-SQUID-based magnetometer. This layout has been used to perform measurements under different microwave modes, namely sweeping, pulsed and power reflected. A theoretical model has been proposed to obtain an estimation of the characteristic frequencies and the electric and magnetic fields of the resonant structure formed by a multi-turn coil with a sample loaded in its core. We presents the results on vortex dynamics of superconducting thin films made of La1.82Sr0.18CuO4, patterned Pb and MgB2 under continuous and pulsed microwave modes. In the first set of experiments, the temporal- and frequency-dependent magnetic moment has been investigated at different values of the temperature, dc magnetic fields, and nominal microwave power in the three samples. Irregularities forming ripples, small steps, jumps and negative peaks at discrete frequency values under different thermodynamics variables (temperature and dc magnetic field) and microwave nominal powers have registered. The presence of these frequency-triggered anomalies has been interpreted as nucleation of instabilities in the propagation of the flux front and explained by considering the energy fed at some specific resonant modes, the vortex dynamics in thin-film geometry, and the contribution from the microwave electric and magnetic fields generated in the coil. In the second set of experiments, the temporal evolution of the sample magnetization has been recorded when single microwave pulses are applied at fixed values of temperature, dc magnetic fields, pulse duration and nominal power in the La1.82Sr0.18CuO4, and MgB2 samples. The onset of a significant variation in the sample magnetization which exists below threshold values of temperature, dc magnetic field, and pulse duration is interpreted as an avalanche-like flux penetration. The microwave fields are suggested to contribute to the nucleation of the fast vortex diffusion. The additional microwave electric field is surmised to guarantees the occurrence vortex instabilities under adiabatic conditions via the enhancement of the flux flow resistivity. We expose results obtained for patterned Pb under ac susceptibility and microwave power reflection techniques. The in-phase and out-of-phase components of the ac susceptibility are measured under the combination of crossed dc and microwave magnetic fields at different fixed values of microwave power and frequency for temperature close to Tc. The results show that commensurability effects are strongly dependent on the values of the frequency and nominal power of the microwave radiation. The magnetic field dependence of the microwave backward reflection coefficient is studied in a wide range of temperature (from 6.80 K to 7.20 K) at different fixed microwave resonant modes and powers. Commensurability effects related to the matching of the vortex lattice parameter and the antidot array spacing at integer and fractional matching field values have been observed as peaks in the magnetic field dependence of the microwave backward reflection coefficient for different values of temperature, frequency and power. These peaks appear as a result of the contribution of the vortex dynamics to the reflected signal a the matching fields and their observation depends on the values of the microwave power supplied to the sample. / L’objectiu d’aquesta tesi és estudiar la dinàmica de vòrtexs en diverses capes primes superconductores de tipus-2. En particular, explorem la resposta del moment magnètic en temps real a camps continus i polsats de microones. A més, estudiem els efectes de commensurabilitat mitjançant mesures de susceptibilitat magnètica en presència de camps de microones, i fent servir també espectrometria de reflexió de microones. Les mostres utilitzades en aquesta tesis són mostres de capes primes superconductores fetes de LaSrCuO, Pb amb una formació periòdica micro-forats o antidots i MgB2. Les mesures dels moments magnètics, de la magnetització en funció del temps i de la susceptibilitat magnètica es van realitzar amb un magnetòmetre MPMS basat en un dispositiu rf-SQUID. Per realitzar mesures de microones a baixes temperatures, es va dissenyar una sonda formada per un cable coaxial semi-rígid el qual acaba en una bobina de múltiples voltes amb la mostra localitzada al seu nucli (CS). Per caracteritzar l’estructura ressonant formada pel CS, s’ha proposat un model teòric basat en el ressonador helicoïdal. L’estudi de la dinàmica de vòrtexs sota l’escombrat de freqüència es va dur a terme en les tres mostres esmentades anteriorment. La relaxació monòtona és interrompuda per la presència d’irregularitats en forma de salts, pics negatius, ondulacions i petits passos. Aquestes anomalies apareixen a cert valors de la freqüència de microones i a diferents valors de les variables termodinàmiques (temperatura i camp magnètic continu) i dels paràmetres d’excitació de microones (potència i freqüència). La presència d’irregularitats en la resposta del moment magnètic en funció de la freqüència apareix determinada per la freqüència ressonant del CS. Altres aspectes que poden afavorir l’aparició d’aquestes irregularitats són la geometria de la capa fina i la contribució dels camps elèctrics i magnètics de microones. Aquests últims resulten significatius a la vora de la regió mostra-bobina i poden ajudar a activar inestabilitats termo-electromagnètiques dels vòrtexs. Particularment, la contribució del camp elèctric pot facilitar el desenvolupament d’aquesta mena d’inestabilitat en condicions adiabàtiques. El registre de la variació temporal de la magnetització sota la influència d’un pols de microones es va dur a terme en las mostres LaSrCuO i MgB2. Les corbes d’evolució temporal de la variació de la magnetització mostren clarament un règim de ràpida difusió dels vòrtexs. Aquest règims existeixen dins d’un marge de valors del camp magnètic continu, la temperatura, i la durada del pols. A més, aquestes corbes presenten valors de màxima difusió en funció d’aquests mateixos paràmetres. La presència d’aquestes inestabilitats disparades pels pols sembla que resulten de la contribució dels camps elèctrics i magnètics de microones i de la geometria de capa prima. Les mesures dels components de la susceptibilitat magnètica en funció del camp magnètic continu irradiat amb diferents valors de potència i freqüència de microones mostren els característics efectes de commensurabilitat per a múltiples enters i fraccionaris dels camps de coincidència (matching). Les corbes a diferents valors de freqüència i potència mostra que l’augment de qualsevol d’aquest dos paràmetres resulta en la reducció de l’apantallament i l’increment de la dissipació. Aquest efecte va ser confirmat realitzant mesures de les components de la susceptibilitat magnètica en funció de la potència als diferents valors de la freqüència de microones. Les corbes del mòdul del coeficient de reflexió de microones en funció del camp magnètic continu a una potència i freqüència de microones fixes, mesurades a diferents valors de temperatura, mostren clarament els efectes de commensurabilitat. L’empremta d’aquest efecte es mostra en forma de pics a valors enters i fraccionaris dels camps de coincidència. L’observació dels pics a les corbes del coeficient de reflexió apareix com a resultat de la contribució de la dinàmica de vòrtexs al senyal reflectit als camps de coincidència. La presència d’aquest pics es pot explicar considerant els conceptes de la conductivitat complexa del model de dos fluids, la longitud de penetració de London i les forces que descriuen la dinàmica de vòrtexs en l’equació de balanç fenomenològic. Les limitacions tèrmiques de la sonda experimental han estat testades fent mesures del coeficient de reflexió en funció del camp magnètic continu a diferents valors de la potència de microones, per a valors fixos de temperatura.

Tesi realitzada a l'Institut de Ciències de la Terra Jaume Almera (CSIC) / This thesis is devoted to the study of the interactions of phonons in indium nitride (InN) and materials of the (In,Ga)N system with wurtzite structure. For this purpose, we present Raman spectroscopy on nanowires (NWs), thin films and bulk samples, in order to adress phonon interactions in these materials. We also present Brillouin spectrsocopy measurements of InN thin films, from which a reliable set of elastic constants is proposed. We have studied the phonon anharmonic interactions and phonon decay channels of InN, both in thin films and NWs. The temperature dependence of Raman peak width of all the phonon modes has been studied using a model that considers the contribution of three- and four-phonon processes, taking into account the phonon density of states obtained by ab-initio calculations. In InN thin films, we find that the E2h phonon mode mainly decays through 4-phonon processes, whereas the extremely narrow E2l mode can decay only through up-conversion processes. The LO and the TO modes are found to decay through 3-phonon and 4-phonon interactions. In InN NWs we found the same phonon decay channels but phonon linewidths are significantly reduced, indicating a higher crystalline quality. The lifetimes of the phonon modes are derived from the measured phonon linewidths. The long-lived E2l phonon exhibits the largest lifetime, which is mainly limited by impurity scattering. We also study the anharmonic decay of high-frequency LVMs H complexes in Mg-doped InN, which can be explained by considering dephasing due to quasi-elastic acoustic phonon scattering. We have discussed the relevant electronic resonances that affect Raman scattering in the (In,Ga)N system. We show that the optical excitation of the longitudinal optical modes in InN occurs via the Martin's double resonance both in InN layers and nanostructures, even though the defect density of the latter is significantly lower. By performing wavelength-dependent measurements on InN thin films and NWs, the A1(LO) and the E1(LO) wave-vector dispersion close to zone-center have been obtained. We have also studied the impurity-mediated cascade mechanism of multiphonons in InGaN layers. To ascertain the role of the impurities we have studied as-grown samples in comparison with He+-implanted InGaN layers. UV Raman-scattering measurements allow us to measure up to fifth order multiphonon scattering due to cascade mechanism. Relative multiphonon intensities depend on the indium concentration and implantation dose. Finally, we have studied the LO-Phonon-Plasmon Coupled Modes (LOPCMs) in InN and GaN using the Lindhard-Mermin model. We have determined the electron density in undoped, Si-doped and Mg-doped NWs. We have also studied a bulk, ammonothermally-grown Si-doped GaN sample. No evidence of LOPCMs was detected in the Ga-polar face, probably due to the higher defect density existing in this sample sector. We have detected both branches of the LOPCMs in the N-polar face, and we have made a study of the distribution of the free charge density by means of confocal micro-Raman measurements. / Aquesta tesi està dedicada a l’estudi de les interaccions dels fonons en nitrur d'indi (InN) i en semiconductors del sistema (In.Ga)N amb estructura wurtzita. Amb aquest objectiu es presenten estudis d'espectroscòpia Raman en capes primes, nanofils (NWs), i mostres bulk, que han permès abordar de manera global les interaccions dels fonons en aquests materials. Hem estudiat les interaccions anharmòniques i els canals de decaïment dels fonons de InN, tant en capes primes com en NWs. La dependència de l’amplada del pic Raman amb la temperatura de tots els modes fonònics s’ha estudiat utilitzant un model anharmònic que considera la contribució dels processos de tres i quatre fonons, i tenint en compte la densitat d'estats de fonons obtinguda mitjançant càlculs ab-initio. L'anàlisi dels temps de vida fonònics i de la dependència amb temperatura de les freqüències permet afirmar que els NWs tenen una estructura més relaxada que les capes primes. També hem estudiat el decaïment anharmònic de modes locals de vibració corresponents a complexos d'H en InN fortament dopat amb Mg. Hem estudiat les ressonàncies en el sistema (In,Ga)N i la influència de la densitat d’impureses en l’eficiència dels mecanismes ressonants. Hem demostrat que la dispersió Raman de modes òptics longitudinals en el InN es produeix a través de la doble ressonància del Martin tant en capes primer com en nanoestructures, tot i que la densitat de defectes d'aquestes últimes és significativament menor. Hem estudiat també el mecanisme de cascada mediat per impureses, a través del qual es produeix la dispersió de multifonons, en capes primes de InGaN amb diferent composició i diferent grau d’implantació d'ions d'He, i hem comprovat que les intensitats relatives dels multifonons depenen de la concentració d’indi i de la dosi de la implantació. Finalment, hem estudiat l’acoblament de fonons polars amb els plasmons mitjançant el model dielèctric de Lindhard-Mermin, amb la finalitat d’investigar la densitat d’electrons lliures utilitzant espectroscòpia Raman. Hem determinat la concentració d'electrons en NWs de InN sense dopar, dopats amb Si i dopats amb Mg. També hem fet un estudi de la distribució de la densitat de càrrega en una mostra de GaN ammonotermal mitjançant mesures de micro-Raman confocal.

The AdS/CFT correspondence is one of the most important developments in the history of theoretical physics. Using as a binding bridge superstring theory, or, more concretely, some theoretical aspects in the interaction between superstrings and D-branes, the Maldacena conjecture establishes that the physics of a strongly-coupled, perturbatively-inaccessible quantum field theory in d-dimensions can be described equivalently in terms of the dynamics of a dual classical gravitational theory in (d + 1)-dimensional AdS space. Two particular aspects of the duality are of great importance. First, the duality ascertains that the quantum field theory lives in the boundary of the AdS space in which the dual gravitational system exists, and that the two-point functions of the dual field theory are computed in terms boundary-to-bulk propagators. This difference between the dimensions of the theories makes the duality holographic, so giving evidence to the idea that a quantum theory of gravity should be indeed a holographic in nature. The second important aspect we must mention is that the AdS/CFT co-rrespondence is a strong/weak-coupling duality: it allows one to formulate a strongly-coupled quantum problem in terms of the classical Einstein equations of the dual higher-dimensional gravitational system. Because of this particular nature of the duality, it provides a promising new way of studying quantum gauge theories in the strongly-coupled regime, where the usual perturbative methods fail to apply. The gauge/gravity duality has thus been used to gain insight in a wide variety of physical systems where a satisfactory description in terms of standard methods is lacking, such as the quark-gluon plasma or in condensed matter theory. / En aquesta tesi s'ha demostrat que la correspondència AdS/CFT ofereix una nova manera d'estudiar la fase superconductora de les teories large-N al règim fortament acoblat. En discutir els cuprats al final del Capítol 1, veiem algunes de les deficiències que els acostaments usuals basats en teories de camps tenen quan es tracta d'abordar sistemes de molts cossos fortament acoblats. Potser que la més greu d'aquestes deficiències és el col.lapse del concepte de quasi-partícula a causa de les fortes interaccions involucrades. La dualitat gauge/gravity ens permet plantejar problemes gairebé intractables en sistemes quàntics de molts cossos en termes de la dinàmica clàssica d'un sistema dual de gravetat en l'espai AdS. Usant aquest nou punt de vista hologràfic, la condensació de parells de Cooper al costat de la teoria del camps es tradueix en la creació espontània de solucions amb pèl carregat al costat gravitatori de la dualitat. Això dóna lloc a una fase en la teoria del camps dual, on es recuperen els aspectes fenomenològics fonamentals de la superconductivitat. Crida l'atenció que amb només observar al problema des d'un punt de vista hologràfic, es pot demostrar que aquests sistemes completament intractables en el règim d'acoblament fort presenten una fase superconductora. a causa de l'èxit del mètode hologràfic i les dificultats ja esmentades sobre els enfocaments estàndard basats en teories de camps, pot ser que no sigui massa agosarat imaginar que, efectivament, la definició teòrica natural de la superconductivitat en el règim fort acoblament està donada pel sistema dual de gravetat. Amb aquestes consideracions generals en ment, en aquesta tesi ens hem esforçat a presentar una imatge el més completa possible dels diferents enfocaments seguits en la superconductivitat hologràfica.

La vía de señalización celular MEK5-ERK5 se activa en respuesta a un amplio rango de factores de crecimiento y diferentes tipos de estrés. Fosforila los factores de transcripción de la familia MEF2 y juega un relevante papel en el control de la proliferación celular inducida por factores como el EGF, además de controlar la supervivencia celular y la angiogénesis. ERK5 difiere estructuralmente de otras MAP quinasas en presentar una larga y única cola C-terminal. Esta cola tiene un efecto autoinhibitorio sobre la actividad quinasa y presenta un motivo de localización nuclear NLS (sólo accesible en la conformación activa/abierta de la quinasa), además de un dominio de activación transcripcional que interacciona con MEF2D y potencia la actividad transactivadora del factor de transcripción AP-1. Así, ERK5 activa la transcripción de ciertos genes no sólo por la fosforilación directa de factores de transcripción, sino también actuando como coactivador transcripcional de, por ejemplo, el factor AP-1. Previamente en nuestro laboratorio, utilizando la técnica del Tandem Affinity Purification (TAP), se identificó a la chaperona Hsp90β como una putativa proteína que interacciona con ERK5. En este trabajo, mediante ensayos de co-inmunoprecipitación de las proteínas endógenas y sobre-expresadas, demostramos que ERK5 forma un complejo trimérico con las chaperonas Hsp90β y Cdc37, y que la inhibición farmacológica de Hsp90β o Cdc37 induce la ubiquitinación y degradación proteosomal de ERK5. Estos resultados proponen a ERK5 como una nueva proteína cliente de la chaperonas Hsp90/Cdc37, necesarias para el correcto plegamiento y mantenimiento de la estructura de la quinasa. Por primera vez se muestra que la activación canónica de ERK5 (por MEK5) induce la disociación de Hsp90 del complejo ERK5-Cdc37, como paso previo a la translocación nuclear de ERK5 y la consiguiente activación de la transcripción, por un mecanismo que requiere la autofosforilación de la cola C-terminal de la quinasa. Por otra parte, se ha establecido que la expresión de Cdc37 en exceso (como ocurre en algunos tipos de cáncer) promueve la disociación de Hsp90 del complejo y la translocación nuclear de una forma inactiva de ERK5 capaz de potenciar la actividad transcripcional del factor AP-1. Este resultado constituye la primera evidencia de un mecanismo no canónico de translocación que implica la entrada en el núcleo de una ERK5 inactiva que retiene la capacidad de activar la transcripción mediada por el factor AP-1. También se propone a Hsp90 como una proteína que serviría de anclaje citosólico de ERK5. Por otra parte, se han obtenido evidencias que muestran que tanto la activación canónica (MEK5) como no canónica (Cdc37) inducen la SUMOilación de ERK5 en el extremo N-terminal de la proteína. Mediante ensayos bioquímicos y de inmunofluorescencia aportamos evidencias que apuntan a que tanto la disociación de Hsp90 como la SUMOliación son eventos necesarios pero no suficientes per se para que ocurra la translocación nuclear de ERK5. Se han generado líneas celulares que sobre-expresan establemente ERK5 y/o Cdc37, que muestran que ambas proteínas cooperan en promover un drástico incremento en la proliferación y la migración celular. Este resultado es relevante dado que la sobreexpresión de ERK5 como Cdc37 son eventos que ocurren en ciertos tipos de cáncer, como el adenocarcinoma prostático. Por último, mostramos que ERK5 interacciona con el receptor de andrógenos (AR) en el citosol de las células en reposo, y que la activación de este receptor con ligandos induce la translocación de AR y ERK5 inactiva al núcleo, donde siguen interaccionando y colaboran en la promoción de la actividad transcripcional del AR sobre la proteína antígeno prostático (PSA, biomarcador clínico especifico del cáncer de próstata). Se ha observado otro link funcional entre ambas proteínas, ya que la activación de ERK5 por MEK5 o la sobre-expresión de Cdc37 incrementan la actividad ligandodependiente del receptor de andrógenos, mientras que el silenciamiento de la ERK5 celular bloquea dicha activación transcripcional. / The MEK5-ERK5 signaling pathway is activated in response to growth factors and different forms of stress. ERK5 phosphorylates the transcription factors, members of the myocyte enhancer factor family, MEF2 and plays an important role in the control of cell proliferation induced by factors such as EGF, as well as control of cell survival and angiogenesis. In contrast with other MAPKs, ERK5 has a unique C-terminal tail. This domain auto-inhibits the kinase activity and has a nuclear localization signal (NLS) (only available in the active/open conformation), moreover contains a transcriptional activation domain that interacts with MEF2D and enhances the activity of the AP-1 transcriptional complex. Thus, ERK5 is able to activate transcription not only by direct phosphorylation of transcription factors but by acting itself as a transcriptional coactivator, as, for example, in the case for the activator protein 1 (AP-1) transcription factor. Previously in our laboratory using the technique of Tandem Affinity Purification (TAP), we identified the chaperone Hsp90β as a putative interacting protein ERK5. In this study, using co-immunoprecipitation assays of endogenous and recombinant proteins, we demonstrated that ERK5 forms a trimeric complex with Hsp90β and Cdc37, and the pharmacological inhibition of Hsp90 and Cdc37 induces ubiquitination of ERK5 prior to degradation at the proteasome. These results suggest that ERK5 is a novel client protein of the chaperone Hsp90/Cdc37, and these chaperones are necessary to maintain the proper folding and structure of the kinase. For the first time we show that the canonical activation of ERK5 (by MEK5) induces the Hsp90 dissociation from the ERK5-Cdc37 complex, leading to ERK5 nuclear translocation and activation of transcription, by a mechanism which requires the autophosphorylation at its C-terminal tail. Moreover, the overexpression of Cdc37 (as in some types of cancer) promotes Hsp90 dissociation and the nuclear translocation of a kinase-inactive form of ERK5 which retains transcriptional activity. This is the first example showing that ERK5 transcriptional activity does not require kinase activity. We propose that Hsp90 might be the cytosolic anchor of ERK5. Moreover, we show that both the canonical activation canonical (MEK5) as noncanonical (Cdc37) induce the ERK5 SUMOylation at its Nterminal half. The biochemical and immunofluorescence assays provided evidence that both the Hsp90 dissociation as the ERK5 SUMOylation are necessary but not sufficient per se to induce ERK5 nuclear translocation. We generated stable cell lines that over-express ERK5 and/or Cdc37, we showed that both proteins cooperate to promote a dramatic increase in cell proliferation and migration. This result is important because overexpession of ERK5 and Cdc37 are events that occur in certain types of cancer, including prostate adenocarcinoma. Finally, we show that ERK5 interacts with the androgen receptor (AR) in the cytosol of resting cells, and that activation of this receptor with ligands induces the nuclear translocation of AR and inactive ERK5, and in this cellular compartment they continue interacting and promoting the transcriptional activity of AR through PSA (PSA specific clinical biomarker for prostate cancer). It has been observed another functional link between these proteins, and that activation of ERK5 by MEK5 or overexpression of Cdc37 increase ligand-dependent activity of the androgen receptor, whereas the silencing of ERK5 inhibits this transcriptional activation.

El ictus es una patología con una elevada incidencia en la población y los pacientes afectados sufren secuelas que les causan algún tipo de discapacidad. A nivel terapéutico, la posibilidad de incidir sobre la evolución de la enfermedad es a día de hoy aún escasa. Se ha descrito que la neurogénesis, la generación de nuevas neuronas con capacidad para migrar a la zona afectada, aumenta en las zonas subventriculares (ZSVs) y el hipocampo tras un infarto cerebral, en modelos animales y en humanos. Ante este panorama, los estudios dedicados a la comprensión de los mecanismos fisiopatológicos de la neurorreparación, así como el diseño de terapias que incidan sobre dichos mecanismos pueden ser de interés para la mejora de la calidad de vida de los pacientes tras sufrir un ictus. Actualmente se están desarrollando diversas terapias dedicadas a estimular la neurogénesis endógena, la mayoría a nivel preclínico. Una de las necesidades actuales para poder realizar ensayos clínicos sobre neurogénesis en el futuro, sería disponer de biomarcadores que permitieran detectar y monitorizar la neurogénesis de forma no invasiva. Ello nos permitiría conocer las variables asociadas a una mejor o peor capacidad de reparación, observar cómo varía esta capacidad a lo largo del tiempo, cómo varía con la administración de diversos tratamientos y cómo se relaciona esta actividad con el resultado funcional a corto y largo plazo tras un infarto cerebral. La espectroscopía de resonancia magnética (ERM) es una técnica que permite la evaluación bioquímica, in vivo, del tejido de interés de forma no invasiva, incluso permite la obtención de imágenes moleculares de las distribución de un metabolito en el cerebro. No obstante, antes de poder trasladar estos conocimientos al campo clínico, es necesario validar dichos biomarcadores espectroscópicos en modelos animales que permitan correlacionarlos con técnicas inmunohistoquímicas o de microscopía (las actuales técnicas de referencia para la determinación de la neurogénesis). En esta tesis se han desarrollado protocolos de ERM para la caracterización del patrón espectral tanto para las ZSVs como para la zona de infarto en un modelo oclusión transitoria de la arteria cerebral media en rata. Además, para una caracterización metabolómica más precisa, se aplicaron otras técnicas de resonancia que podían permitir una mejor resolución espectral, como el análisis de biopsias de tejido mediante resonancia magnética de alto campo High Resolution Magic Angle Spinning (HRMAS) previo sacrificio de los animales por irradiación con microondas focalizadas (FMW) para detener el metabolismo post mortem. También se utilizaron herramientas informáticas de reconocimiento de patrones para la determinación de los metabolitos con características diferenciales de las ZSVs y la evolución del infarto en base al análisis simultáneo de varios metabolitos. Asimismo, se realizaron pruebas con el fármaco Citicolina para verificar si la técnica permitía detectar cambios en el patrón espectroscópico en las regiones de interés debido a la administración del fármaco. El uso de estas técnicas ha permitido determinar posibles biomarcadores relacionados con apoptosis en la zona de infarto y proliferación en la ZSVs así como la valoración de los efectos de la Citicolina en el patrón metabólico correlacionando los hallazgos espectroscópicos con análisis inmunohistoquímico Los resultados obtenidos ponen de relieve el potencial de la ERM en el análisis bioquímico para determinar biomarcadores con potencial traslacional a la práctica clínica aplicables a futuros estudios en el campo del ictus. / Stroke is a disease with a high incidence in the population and the affected patients have sequelae that cause disabilities. From a therapeutic point of view, the possibility of treating the evolution of the disease is nowadays still limited. Neurogenesis, the generation of new neurons with the capacity of migrating to the injured region, has been described to increase in the subventricular zones (SVZs) and hippocampus post-stroke, in animal models and also in humans. That is why studies dedicated to the understanding of the neurorepair physiopathology and the design of new therapies that could influence their mechanisms could be of interest for improving the quality of life of the patients after suffering a stroke. New therapies to promote endogenous neurogenesis enhancement are currently being developed, most of them in preclinical studies. One of the needs to develop neurogenesis clinical trials in the future is to determine biomarkers that would detect and monitor neurogenesis noninvasively. This could be useful to identify associated variables with a better or worse repair capacity, how this capacity changes over time and with pharmacological treatment and how this activity correlates with functional outcome in early and late stages post-stroke. Magnetic resonance spectroscopy (MRS) is a noninvasive technique that allows metabolic profile analysis of the tissue of interest in vivo. Moreover, it allows to perform metabolic imaging of the metabolite distribution through the brain. However, before using spectroscopic biomarkers in the clinical field they must be validated in animal models so that they can be correlated with immunohistochemistry or microscopy (the actual gold standard techniques to determine neurogenesis). In this work MRS protocols were developed to characterize the spectroscopic pattern for the SVZs and also for the stroke zone in a transient middle cerebral artery occlusion rat model. Also, for a more accurate metabolomic characterization with better spectral resolution, other magnetic resonance techniques were applied like biopsy analysis with High Resolution Magic Angle Spinning (HRMAS) using prior focused microwave irradiation (FMW) animal sacrifice in order to arrest post-mortem metabolism. In addition, pattern recognition software was applied to determine feature differences between SVZs or stroke evolution using simultaneous analysis of several metabolites. MRS experiments were performed using a therapeutic agent (Citicoline) to determine if changes in the spectroscopic pattern due to drug administration could be detected. The combination of these techniques has allowed to determine potential biomarkers associated to apoptosis in the stroke zone and proliferation in the SVZs and also to determine Citicoline effects in the metabolic pattern correlating the spectroscopic findings with immunohistochemistry analysis. The results highlight that MRS is a useful technique to perform biochemical analysis to determine biomarkers with translational potential to the clinical practice that could be used for future studies in stroke.

El biochar es un producto resultante de la descomposición térmica mediante pirolisis de biomasa y aplicado al suelo para mejorar sus propiedades. Este area de investigación está auge actualmente por su papel en mejorar la práctica agrícola y como estrategia de secuestro de carbono en suelo. Aún siendo un campo joven, poco se sabe sobre su idoneidad a largo plazo, y aún no se ha estudiado suficientemente sus posibles efectos negativos sobre la calidad del suelo, incluyendo la biología del suelo. Esta tesis toma como enfoque métodos biológicos para evaluar el impacto de biochar sobre la calidad del suelo. Una parte importante de la tesis se basa en bioensayos de laboratorio, complementados por un estudio de campo para evaluar de manera realista los efectos de biochar en un agroecosistema. Los bioensayos realizados a seis biochars demostraron que el método de producción tiene un impacto importante sobre las propiedades químicas del suelo, y a su vez la respuesta de las plantas. Los biochars de gasificación y pirólisis rápida indujeron inhibición vegetal a concentraciones realistas, mientras biochars de pirólisis lenta generalmente no afectaron a las plantas. La inhibición fue interpretada como consecuencia de efectos a corto plazo sobre la disponibilidad de nutrientes en algunos biochars, debido a sus elevados contenidos de materia volátil, que estimularían el crecimiento de microorganismos y la inmobilización de N, mientras que en los biochar más alcalinos se sospechó que fueron debidos a una reducción de la disponibilidad de P. En tests con invertebrados, las respuestas de colémbolos y enquitreidos han sido muy similares, con estimulación en el biochar de lodos de depuradora y de inhibición en el de astilla de pino producido por gasificación. Los resultados señalan el papel de la alcalinización como causándote de los efectos directos en mortalidad y de reproducción. No se pudo demostrar que el estímulo de la comunidad microbiana causado por el biochar explicara la estimulación de la reproducción de la mesofauna observada en algunos biochars. Se desarrolló un nuevo parámetro de medida del impacto para los colémbolos basado en la biomasa de juveniles y su estructura de tamaños mediante el ajuste a modelos multi-Gaussianos. Los incrementos en el número de clases de edad, acompañados por incrementos en la biomasa y longitud de individuos, han sido interpretados como efectos estimulatorios, mientras, a su vez, su diminución ha se interpretó como efectos inhibitorios. Finalmente, en un experimento de campo simulando un cultivo de cebada enmendado con un biochar de pino producido por gasificación, se han demostrado efectos positivos sobre propiedades físicas del evaluadas. Los efectos sobre las propiedades químicas fueron menos marcados, pero son destacables los incrementos en las concentraciones K+, y la reducción de las de NO3-. El cultivo fue generalmente estimulado a 12 t ha-1, y generalmente inhibido a 50 t ha-1. La actividad de mesofauna fue impactada negativamente a 50 t ha-1 biochar. La adición de biochar permitió aumentos significativos en la abundancia microbiana pero no en su actividad, indicando un aumento de su eficiencia. Ensayos de laboratorio de mineralización de material vegetal indicaron que el biochar reducía la liberación de NO3-. Globalmente, el estudio de campo ha demostrado que biochar puede mejorar la fertilidad del suelo a aplicaciones moderadas, pero puede disminuir la calidad del suelo a aplicaciones altas. Los resultados de esta tesis contribuyen a la escasa información disponible sobre los efectos del biochar sobre la biota del suelo, así como los beneficios y riesgos en suelos alcalinos bajo clima mediterréneos. / Biochar is thermally-decomposed biomass deliberately applied to soil to improve its properties. In recent years, biochar research has grown immensely for its potential role in improving agricultural practices and as a strategy to sequester carbon in the soil. However, as a young scientific field of study, little is proven about biochar’s long-term compatibility with modern agriculture, and there is still major uncertainty about its potential negative impacts on soil quality, information on biochar’s effects on soil biology is quite limited. Biochar’s effects on soil quality is the topic of the thesis, with an emphasis on biological methods for its evaluation. A substantial portion of this thesis is based on ecotoxicological approaches of evaluation. Laboratory bioassay studies were undertaken, and complementary studies were undertaken in the field for a broader evaluation of effects in a more realistic setting. Plant growth tests with six biochars showed that pyrolysis method had a strong influence on chemical properties affecting plant responses. Gasification and fast-pyrolysis chars were strongly inhibitory at realistic application rates, while slow-pyrolysis chars generally did not affect plant growth. Inhibition was interpreted to be due to short-term effects on nutrient plant availability, due to biochar’s volatile matter content which increases competition with microorganisms, and P content and/or effects on P availability. In tests with soil invertebrates, performance of the Collembolan and enchytraeid were analogous for both the sewage sludge and pine gasification char, which were slightly stimulatory and inhibitory, respectively. Our results suggest alkalization-related increases in mortality and inhibition of reproduction. We hypothesized that increased microbial abundance would explain stimulation of fauna performance, but this showed no clear trend with biochar concentration, providing no evidence for a trophic effect. Also, Collembolan juvenile biomass and size class structure endpoints were developed using a multi-Gaussian fitting approach. Increases in number of size classes, accompanied by greater relative allocation of biomass to individuals of larger somatic length, were interpreted as stimulatory conditions, and reduction in the number of classes and proportional representation of larger classes were associated with inhibitory effects. Finally, in the field study, simulating barley cultivation with amendment of a gasification biochar, effects on soil physical properties were generally positive. Measured soil chemical parameters were not strongly affected, with the exception of increased K+ ¬ and decreased NO3-. The barley crop was generally stimulated at 12 t ha-1, and generally inhibited at 50 t ha-1. Mineralization tests showed that biochar also reduced NO3- transformation. Overall, the field study that the biochar can enhance soil quality at moderate application rates, but can decrease soil quality at higher rates. Also, fauna activity was negatively impacted at the high, 50 t ha-1 application rate. The addition of biochar permitted increases in microbial abundance, but not activity, indicating an increase in efficiency. These results all have served to provide basic information on effects of biochar on soil quality, whereas to date little information has been available either for soil biota or in mediterranean or alkaline soils.