En aquest treball s’explora el reconeixement d’accions humanes i l'estimació de la seva postura en seqüències d'imatges. A diferència de les tècniques tradicionals d’aprenentatge a partir d’imatges 2D o vídeo amb la sortida anotada, en aquesta Tesi abordem aquest objectiu amb la informació de moviment 3D capturat, que ens ajudar a tancar el llaç entre les característiques 2D de la imatge i les interpretacions sobre el moviment humà. / En este trabajo se exploran el reconocimiento de acciones humanas y la estimación de su postura en secuencias de imágenes. A diferencia de las técnicas tradicionales de aprendizaje a partir de imágenes 2D o vídeo con la salida anotada, en esta Tesis abordamos este objetivo con la información de movimiento 3D capturado, que nos ayudar a cerrar el lazo entre las caracteríssticas 2D de la imagen y las interpretaciones sobre el movimiento humano. / In this work, we explore human action recognition and pose estimation problems. Different from traditional works of learning from 2D images or video sequences and their annotated output, we seek to solve the problems with additional 3D motion capture information, which helps to fill the gap between 2D image features and human interpretations.

El reconeixement d'objectes és potser la tasca més important que un sistema autònom, ja sigui biològic o artificial, necessita realitzar. En el context de la visió humana, això s'aconsegueix parcialment a través del reconeixement del color de les superfícies malgrat els canvis en la distribució espectral de la llum, propietat anomenada constància de color. El reconeixement correcte del color de les superfícies és pot realitzar adequadament mitjançant la correspondència entre categories de color sense la necessitat d'ajustar exactament els mateixos colors, aleshores la constància de color categòrica juga probablement un paper important per tal d'aconseguir amb èxit el reconeixement d'objectes. El principal objectiu d'aquest treball és estudiar la relació entre la constància de color i la percepció categòrica del color. Estudis anteriors de constància de color han mostrat la influència de factors tals com les propietats espai-cromàtiques de l'entorn, particularitats individuals dels observadors, semàntica, etc... Malgrat tot, aquestes influències només s'han estudiat breument de forma sistemàtica. Per solucionar-ho, hem desenvolupat una nova aproximació a la constància de color, la qual inclou la percepció categòrica dels individus, l'estructura categòrica de l'entorn, i les seves interrelacions, resultant en una caracterització més comprensiva del fenomen. En el nostre estudi, primer hem desenvolupat un nou mètode per tal d'analitzar l'estructura categòrica 3D de l'espai de color, la qual ens ha permès caracteritzar la percepció categòrica de cada individu i també quantificar les variacions entre individus en termes de la forma i la localització dels centroides de les regions 3D categòriques. Seguidament, hem desenvolupat un nou paradigma de constància de color, anomenat "chromatic setting", el qual permet mesurar de forma precisa la localització de nou punts categòricament rellevants en l'espai de color sota una ill.luminació envolvent. Adicionalment, hem derivat a partir d'aquestes mesures un nou índex de constància de color, el qual té en compte la magnitud i la orientació cromàtica de l'il.lumiant, influències de la memòria i les interrelacions entre colors, i també un model d'assignació de noms de color ajustat a l'estat d'adaptació de cada observador. A partir dels nostres resultats concloem: (1) Existeixen àmplies variacions entre individus respecte l'estructura categòrica de l'espai de color, i pertant l'abilitat d'assignar noms de color varia significativament però aquesta no està ben predita per les abilitats discriminatives de baix nivell; (2) L'anàlisi de l'espai mitjà d'assignació de noms de color suggereix la necessitat d'afegir tres nous "basic colour terms" ("turquoise", "lilac" i "lime" ) per tal d'optimitzar la comunicació de color; (3) El "chromatic setting" ha millorat la precisió dels models lineals més complexos de constància de color, així suggerint que altres mecanismes que no pas els d'adaptació al guany dels cons poden ser més adequats per tal d'explicar el fenomen de la constància de color; (4) L'estructura categòrica de l'espai de color és en general estable sota canvis d'il.luminant quan s'usen entorns categòricament balancejats; (5) Existeix inconstància de color per entorns categòricament no balancejats i pertant indicant que la informació categòrica percebuda en les etapes inicials de l'adaptació pot condicionar la percepció categòrica posterior. / To recognise objects is perhaps the most important task an autonomous system, either biological or artificial needs to perform. In the context of human vision, this is partly achieved by recognizing the colour of surfaces despite changes in the wavelength distribution of the illumination, a property called colour constancy. Correct surface colour recognition may be adequately accomplished by colour category matching without the need to match colours precisely, therefore categorical colour constancy is likely to play an important role for object identification to be successful. The main aim of this work is to study the relationship between colour constancy and categorical colour perception. Previous studies of colour constancy have shown the influence of factors such the spatio-chromatic properties of the background, individual observer's performance, semantics, etc. However there is very little systematic study of these influences. To this end, we developed a new approach to colour constancy which includes both individual observers' categorical perception, the categorical structure of the background, and their interrelations resulting in a more comprehensive characterization of the phenomenon. In our study, we first developed a new method to analyse the categorical structure of 3D colour space, which allowed us to characterize individual categorical colour perception as well as quantify inter-individual variations in terms of shape and centroid location of 3D categorical regions. Second, we developed a new colour constancy paradigm, termed chromatic setting, which allows measuring the precise location of nine categorically-relevant points in colour space under immersive illumination. Additionally, we derived from these measurements a new colour constancy index which takes into account the magnitude and orientation of the chromatic shift, memory effects and the interrelations among colours and a model of colour naming tuned to each observer/adaptation state. Our results lead to the following conclusions: (1) There exists large inter-individual variations in the categorical structure of colour space, and thus colour naming ability varies significantly but this is not well predicted by low-level chromatic discrimination ability; (2) Analysis of the average colour naming space suggested the need for an additional three basic colour terms (turquoise, lilac and lime) for optimal colour communication; (3) Chromatic setting improved the precision of more complex linear colour constancy models and suggested that mechanisms other than cone gain might be best suited to explain colour constancy; (4) The categorical structure of colour space is broadly stable under illuminant changes for categorically balanced backgrounds; (5) Categorical inconstancy exists for categorically unbalanced backgrounds thus indicating that categorical information perceived in the initial stages of adaptation may constrain further categorical perception.

Multi-beam satellite systems have been studied a lot in the last ten years. They have many promising features like power gain, interference reduction, high flexibility to adapt the asymmetric traffic distribution, and the improvement of the system capacity compared with single-beam systems. In multi-beam satellite systems, the beamforming antenna can generate a number of spot beams over the coverage area. However, each beam will compete with others for resources to achieve satisfactory communication. This is due to the fact that the traffic demand is potentially highly asymmetrical throughout the satellite coverage. Therefore, in order to achieve a good match between offered and requested traffic, the satellite requires a certain degree of flexibility in allocating power, bandwidth and time-slot resources. Current multibeam satellite systems with regular frequency reuse and uniform power allocation can not satisfy these increasing requirements, which motivate us to investigate new transmission schemes to replace the current ones. In this dissertation, we first propose a novel system design, flexible system, which is an extension of current multi-beam systems. It is characterized by the non-regular frequency reuse and the flexibility in bandwidth and power allocation. Then, the Beam Hopping (BH) system is proposed to evaluate the performance improvement with the flexibility in time/space and power domain. As we know, the flexible system and BH system operate in frequency and time/space domain, respectively. In order to know which domain shows the best overall performance, we propose a novel formulation of the Signal-to-Interference plus Noise Ratio (SINR) which allows us to prove the time/frequency duality of these two schemes. Furthermore, to efficiently utilize the satellite resources (e.g., power and bandwidth), we propose two capacity optimization approaches subject to per-beam SINR constraints. Moreover, due to the realistic implementation, a general methodology is formulated including the technological constraints, which prevent the two systems dual of each other (named as technological gap). The Shannon capacity (upper bound) and the state-of-art Modulation and Coding (MODCOD) are analyzed in order to quantify the gap and evaluate the performance of the two candidate schemes. Comparing with the current conventional systems, simulation results show significant improvements in terms of power gain, spectral efficiency and traffic matching ratio. They also show that the BH system is less complex design and outperforms the flexible system specially for non-real time services. This part of the Ph.D. work supported by an ESA-funded project on next generation system of “Beam Hopping Techniques for Multi-beam Satellite Systems”. This research is in close collaboration with the leading space industry (e.g. INDRA, MDA) and space research institutions (e.g., ESA, DLR (German Space Agency)). In addition, we extend the work to mobile environments (e.g., railway scenario). Since the current air interface standards (e.g., DVB-S2/RCS) lack of specification for mobile scenarios, a new Fade Mitigation Technique (FMT), i.e., Link Layer Forward Error Correction (LL-FEC) is introduced as a fading countermeasure for DVB-S2/RCS in mobile environments. This part of the work points out that LL-FEC can overcome the deep fading in mobile satellite scenarios (e.g. railway) by optimizing the FEC codes (e.g. Reed-Solomon and Raptor codes). We have to note that such air interface standards might need change to adapt to the new proposed systems: flexible and BH. However, the methodology presented is also applicable. We further investigate the secure communication of multibeam satellite systems by using the system model developed in the BH project. The physical (PHY) layer security technique is investigated to protect the broadcasted data and make it impossible to be wiretapped. A novel multibeam satellite system is designed to minimize the transmit power under the constraints of the individual secrecy rate requested per user. The main contributions of this Ph.D. dissertation can be summarized as: a. We study the resource allocation optimization in multi-domain (frequency, time, space and power) for multi-beam satellite systems. First, we develop novel matricial-based analytical multibeam system-level models that directly allows testing different payloads technology and system assumptions. Second, we prove that the system performance can be increased by dynamically adapting the resource allocation to the characteristics of the system, e.g., traffic requested by the terminal. b. Theoretical studies and simulations prove that the proposed novel transmission schemes perform better than the current system design in terms of power gain, spectral efficiency, etc.. In addition, BH system turns out to show a less complex design and superior performance than the flexible system. c. Our analytical models allows us to also prove the theoretical duality between the flexible and BH systems, which work in frequency domain and time domain, respectively. Moreover, we develop a general methodology to include technological constraints due to realistic implementation, obtain the main factors that prevent the two technologies dual of each other in practice, and formulate the technological gap between them. d. We extend the work to mobile scenarios and prove that LL-FEC is applicable for mobile satellite systems (e.g., railway) to compensate the fade due to the mobility by optimizing the FEC codes (Reed-Solomon and Raptor codes). The results show that Multiple Protocol Encapsulation Inter-burst FEC (MPE-IFEC) and extended MPE-FEC with Raptor codes - as finally specified in DVB Return Channel via Satellite for Mobile Scenario (DVB-RCS+M) - consistently perform better than other LL-FEC schemes for mobile scenarios. e. We point out that how to change the signalling of current version of standards (e.g., DVB-S2/RCS+M) in order to allow achievable performance in the mobile scenarios. The proposal has been finally adopted by the DVB-RCS+M standard. f. We finally make use of our developed system models to investigate whether the multibeam scenario allows the use of PHY layer security, a very valuable feature that would broaden multibeam satellite applications. We prove that our models are directly applicable for the study of PHY layer security in terms of joint optimization of power control and beamforming for the BH payload. Moreover, the proposed algorithm can ensure the minimum power consumption subject to the individual secrecy rate requested per user. Based on the work of the Ph.D., three journal papers and eleven international conference papers have been published, and these publications systematically cover all the contributions of this doctoral thesis work.

La utilización de enzimas como catalizadores de procesos tiene interés debido a aspectos medioambientales y a sus principales propiedades: alta selectividad y especificidad y alta capacidad catalítica bajo condiciones suaves de operación. En esta tesis doctoral se desarrolló la síntesis enzimática de un Cbz-aminopoliol, compuesto de interés terapéutico, mediante un sistema multienzimático basado en el acoplamiento de la oxidación de un aminoalcohol a su correspondiente aminoaldehído y su posterior adición aldólica a dihidroxiacetona fosfato (DHAP). Se seleccionó Cbz-etanolamina como aminoalcohol modelo. Primero se estudió la oxidación de Cbz-etanolamina a Cbz-glicinal empleando la enzima cloroperoxidasa (CPO) de Caldariomyces fumago como biocatalizador. El oxidante más adecuado para la reacción fue hidroperóxido de tert-butilo (t-BuOOH). Para minimizar la desactivación enzimática causada por la presencia de peróxido, se estudiaron diferentes estrategias de adición del mismo. El mayor rendimiento de Cbz-glicinal, de 39,1%, se alcanzó con una velocidad de adición de 3 mM/h. Además, se analizaron diferentes medios de reacción para aumentar la concentración de substrato favoreciendo la velocidad de reacción y la producción de Cbz-glicinal. Aplicando dioxano a una concentración del 5% la producción de Cbz-glicinal fue 6 veces mayor que la máxima obtenida en medio acuoso (47,6 y 7,8 mM respectivamente). Posteriormente, para aumentar la estabilidad de CPO se aplicaron técnicas de modificación química: modificaciones selectivas de grupos amino en residuos de Lys y grupos carboxilo en residuos de Asp y Glu así como entrecruzamiento y oxidación de azúcares con periodato. Se evaluó la estabilidad de las enzimas modificadas a diferentes valores de pH, temperatura y en presencia de t-BuOOH. Además se estudió el efecto de las modificaciones de CPO en la oxidación de Cbz-etanolamina. Las modificaciones de grupos carboxilo mediante adición de carbodiimida y las modificaciones resultantes de la oxidación de azúcares con periodato resultaron ser mejores catalizadores que la enzima CPO nativa en términos de estabilidad y actividad a valores elevados de pH y temperatura. A 50ºC y velocidad de adición de peróxido de 12 mM/h, los rendimientos de Cbz-glicinal aumentaron desde 16,1% (utilizando enzima nativa) a 21,5-22,1% (utilizando catalizadores modificados). Sin embargo, estos resultados no resolvieron el problema de la rápida desactivación irreversible de CPO. Buscando un mayor aumento de la estabilidad de CPO se aplicaron diferentes métodos de inmovilización: adsorción iónica, enlace covalente mediante adición de carbodiimida y enlace covalente de la enzima oxidada en geles de monoaminoetil-N-aminoetil (MANA) agarosa, así como enlace covalente en soportes Eupergit® C. Se optimizaron las condiciones de trabajo para cada método de inmovilización con el objetivo de maximizar los rendimientos de inmovilización y minimizar la desactivación enzimática durante el proceso de inmovilización. Además, se analizó la presencia de limitaciones difusionales en la catálisis con enzimas inmovilizadas, así como la estabilidad de dichas enzimas en las condiciones necesarias para la reacción de interés. El sistema enzimático más estable resultó ser el obtenido mediante enlace covalente en MANA-agarosa por adición de carbodiimida. Este catalizador se aplicó en la síntesis de Cbz-glicinal, obteniéndose una conversión más alta que la obtenida en la reacción catalizada por la enzima soluble (59,9 y 47,9%, respectivamente). Finalmente, se llevaron a cabo simultáneamente las reacciones de oxidación de Cbz-etanolamina, catalizada por CPO, y adición aldólica del aminoaldehído resultante a DHAP, catalizada por la enzima recombinante ramnulosa-1-fosfato aldolasa (RhuA) producida en Escherichia coli, obteniéndose un Cbz-aminopoliol ((3R)-5-{[(benziloxi)carbonilo]amino}-5-desoxi-1-O-fosfonopent-2-ulosa) como producto final. Se estudió el efecto de la inmovilización de ambas enzimas, la configuración del reactor y el medio de reacción con el objetivo de aumentar la producción de Cbz-aminopoliol. Aplicando ambas enzimas inmovilizadas en presencia de 5% de dioxano, dicha producción alcanzó un valor de 86,6 mM (31 g/l). / There is a growing interest for the application of the enzymes as process catalysts due to the environmental issues and the unique properties that they provide: high selectivity and specificity, and high catalytic activity while working under mild operational conditions. In this doctoral thesis, the enzymatic synthesis of the valued product Cbz-aminopolyol was achieved in a multienzymatic system by coupling the enzyme catalyzed oxidation of an amino alcohol to the corresponding amino aldehyde and enzyme catalyzed aldol addition to dihydroxyacetone phosphate (DHAP). Cbz-ethanolamine was selected as a model amino alcohol. Firstly, the enzymatic oxidation of Cbz-ethanolamine to Cbz-glycinal was studied by applying chloroperoxidase (CPO) from Caldariomyces fumago as a biocatalyst. The reaction was performed successfully using tert-butyl hydroperoxide as an oxidant. Peroxide addition strategy had to be optimized in order to minimize the peroxide dependent inactivation. Cbz-glycinal yield of 39.1% was reached when the peroxide was added at the rate of 3 mM/h. Furthermore, different reaction media were analyzed looking for the way to increase substrate concentration while favoring reaction rate and Cbz-glycinal production. Use of dioxane in the concentration of 5% resulted in 6-fold improved Cbz-glycinal production compared to the value reached in aqueous reaction (47.6 mM compared 7.8 mM, respectively). Then, with the aim of further improving of the stability of CPO, chemical modifications of CPO were carried out. Side-chain selective modifications of amino groups of Lys residues, and carboxyl groups of Asp and Glu residues, as well as crosslinking and periodate oxidation of sugar moiety were performed. The stability of modified CPOs was evaluated at different pH values, temperatures, and in the presence of tert-butyl hydroperoxide. Effect of modification of CPO on the performance of the reaction of Cbz-ethanolamine oxidation was studied as well. Those modifications that involved carboxyl groups via carbodiimide coupled method and the periodate oxidation of the sugar moiety produced better catalysts than native CPO in terms of stability and activity at elevated pH values and temperatures. At the temperature of 50ºC and peroxide addition rate of 12 mM/h, yields of Cbz-glycinal were improved from 16.1%, the value reached when using native CPO, to 21.5-22.1% when using modified CPOs. Even so, the problem of rapid irreversible inactivation of CPO by peroxides remained unsolved. Expecting a more drastic improvement in CPO stability, different immobilization methods were studied: ionic adsorption, covalent attachment by carbodiimide coupled method, and covalent attachment of oxidized enzyme on monoaminoethyl-N-aminoethyl (MANA) agarose gels as well as covalent attachment on Eupergit® C. Conditions for each immobilization method were optimized in order to maximize the immobilization yields and minimize the enzyme inactivation during the immobilization process. Then, the presence of diffusion limitations of the immobilized enzyme preparations as well as the stability of immobilized enzymes in the conditions at which the reaction of interest takes place were tested. The most stable immobilized enzyme system, covalent attachment on MANA-agarose via carbodiimide coupled method was finally applied as a biocatalyst for the synthesis of Cbz-glycinal reaching higher total conversion (59.9%) than in the reaction catalyzed by soluble enzyme (47.9%). Finally, the reaction of oxidation of Cbz-ethanolamine catalyzed by CPO was successfully coupled in one-pot reactor to the aldol addition of the amino aldehyde with DHAP catalyzed by recombinant rhamnulose-1-phosphate aldolase (RhuA) from Escherichia coli yielding Cbz-aminopolyol ((3R)-5-{[(Benzyloxy)carbonyl]amino}-5-deoxy-1-O-phosphonopent-2-ulose) as a final product. The effect of the immobilization of the enzymes, reactor configuration and reaction medium were studied in order to improve Cbz-aminopolyol production. The production of Cbz-aminopolyol, when catalyzed by immobilized enzymes in presence of 5% dioxane reached the value of 86.6 mM (31 g/l).

Tot i que apareixen noves tècniques que equipen els robots amb capacitats cognitives avançades, encara s'ha dedicat poca feina a una qüestió essencial per aquestes tècniques: mètodes ràpids i robustos per a la percepció d'elements semànticament rellevants en entorns no estructurats. De fet, per un robot, ser capaç d'identificar la ubicació en que es troba i quins objectes té al voltant constitueix els fonaments sobre els quals s'aguanten la resta de processos de raonament d'alt nivell que ha de dur a terme. Amb l'objectiu de reduir una mica aquest problema, aquesta tesi se centra en els problemes de localització i reconeixement d'objectes per mitjà de tècniques de visió per computador. La primera contribució que presentem és una nova tècnica per construir signatures de llocs a partir de caracter ́ıstiques detectades en imatges panoràmiques per a ser usades com a nodes d'un mapa topològic, i un mètode de "homing" per viatjar entre els nodes del mapa. Ambdós mètodes han estat provats en diversos conjunts de proves amb resultats satisfactoris. El reconeixement d'objectes genèrics per robots mòbils és un tema d'importància cabdal de cara a afegir contingut a les representacions de l'entorn que els robots usaran en els seus processos de raonament. En conseqüència, les següents contribucions d'aquesta tesi es dirigeixen a aquest problema. Després de revisar detingudament literatura recent del camp de visió per computador, han estat seleccionats dos mètodes: el mètode de reconeixement d'objectes "SIFT" i el "Vocabulary Tree". Un cop avaluats els dos mètodes en conjunts de dades de test dif ́ıcils, centrades en els aspectes rellevants per als robots mòbils, es va concloure que, tot i que el mètode SIFT era més adeqüat per aquests, ambdós mètodes tenien propietats complementàries. Per aprofitar aquesta complementarietat, la contribució final d'aquesta tesi és un mètode d'aprenentatge per reforç per seleccionar, durant l'aplicació del procés de reconeixment d'objectes, quin dels dos mètodes és el més adequat basant-se únicament en caracter ́ıstiques de la imatge simples de calcular. Aquest mètode ha estat validat en un complex conjunt de proves de reconeixement d'objectes, fins i tot ha superat els resultats d'un expert humà en alguns casos. / Although new approaches to enable robots with advanced cognitive capabilities are being developed, still few work is being devoted to a difficult problem in which all this techniques rely: fast and robust perception methods to detect semantically relevant elements in unstructured environments. Indeed, being able to identify the robot's location and what objects lie around constitute the foundations on which almost all high-level reasoning processes conducted by a robot will build up. In order to help reduce this gap, this work addresses the problems of vision-based global localization and object recognition. The first contributions presented are a new technique to construct signatures of places to be used as nodes of a topological map from constellations of features detected in panoramic images, and a homing method to travel between such nodes that does not rely in artificial landmarks. Both methods were tested with several datasets showing very good results. General object recognition in mobile robots is of primary importance in order to enhance the representation of the environment that robots will use for their reasoning processes. Therefore, the next contributions of the thesis address this problem. After carefully reviewing recent Computer Vision literature on this topic, two state of the art object recognition methods were selected: The SIFT object Recognition method and the Vocabulary Tree method. After evaluating both methods in challenging datasets, focusing on issues relevant to mobile robotics, it was found that, although the SIFT method was more suited for mobile robotics, both had complementary properties.To take advantage of this complementarity, the final contribution of this thesis is a Reinforcement Learning method to select online which object recognition method is best for an input image based on simple to compute image features. This method has been validated in a challenging object recognition experiment, even improving the performance of a human expert in some cases.Keywords: Mobile Robotics; Vision-based localization; Object recognition; Visual Feature Detectors; Visual Feature Descriptors; Reinforcement Learning; Visual Homing

Los clusters de computadores son una alternativa actual usada para el cómputo de aplicaciones científicas. Sin embargo las aplicaciones crecen en complejidad y necesitan más recursos. Unir estos clusters distribuidos usando Internet en un multi-cluster puede permitir lograrlo. Un problema que se introduce con esta colaboración es un incremento en la heterogeneidad tanto de cómputo como de comunicación, aumentando la complejidad de dicho sistema lo que dificulta su uso.El objetivo de esta tesis es lograr la reducción del tiempo de ejecución de aplicaciones, originalmente desarrolladas para un cluster, usando eficientemente un multi-cluster. Proponemos una arquitectura del sistema para lograr una máquina virtual multi-cluster transparente a la aplicación que además la dota de escalabilidad y robustez tolerando los problemas de la comunicación por Internet. Esta arquitectura propone un master-worker jerárquico en el que se introducen elementos claves como los gestores de comunicación que dotan al sistema de robustez, seguridad y transparencia en las comunicaciones entre clusters a través de Internet.Desarrollamos un modelo de prestaciones para poder hacer una estimación teórica del tiempo de ejecución y de la eficiencia de una aplicación ejecutándose en un multi-cluster. La precisión de las estimaciones es superior al 90%.Proponemos una metodología que da un procedimiento que define los pasos para realizar la predicción del tiempo de ejecución, para garantizar un umbral de eficiencia seleccionando los recursos adecuados y para guiar a la sintonización de la aplicación encontrando los cuellos de botella de la ejecución. / Clusters of computers represent an alternative for speeding up scientific applications. Nevertheless applications grow in complexity and need more resources. The joint of distributed clusters, using Internet, in a multi-cluster can allow the resources obtainment.A problem on reaching an effective collaboration from multiple clusters is the increase on the computation and communication heterogeneity. This factor increases the complexity of such a system bringing difficulties in its use.The target of this thesis is to attain the reduction of the execution time of applications, originally written for a single cluster, efficiently using a multi-cluster. In order to reach this goal we propose a system architecture, an analytical model and a performance and tuning methodology.The proposed system architecture aims to obtain a multi-cluster virtual machine, transparent to the application and that provides scalability and robustness, tolerating possible faults in the Internet communication between clusters. This architecture is organized around a hierarchical master-worker with communication managers. Communication managers are a key element responsible for the robustness, security and transparency in the communication between clusters using Internet.The analytical performance model was developed to estimate the execution time and efficiency of an application executing in a multi-cluster. The precision on the estimations are over 90%.The proposed performance prediction and application tuning methodology is a procedure that defines the steps to predict the execution time and efficiency, to guarantee an efficiency threshold and to guide on the application tuning, evaluating the execution bottlenecks.

Aquesta investigació es porta a terme a partir de la necessitat de comprendre i descriure l'impacte de les noves tecnologies en la nostra societat i en relació en l'aprenentatge dels alumnes amb NEE. En estudis més recents Cabero (2009) es refereix a la relació que es manté entre l'educació i la tecnologia, és quan es comença a parlar sobre el paper de les noves tecnologies (TIC / TAC) per obrir nous mètodes d'ensenyament i aprenentatge, i apropar la realitat social al context escolar. El marc teòric que posa l'accent en l'evolució del concepte d'educació especial, citant els tipus més comuns presents a les aules actuals i les mesures per atendre-les, tot fent referència a la legislació educativa vigent. Pel que fa al marc empíric, s’ha treballat amb una metodologia qualitativa, amb l’elecció de l'estudi de cas. La proposta d’actuació consisteix en un portal digital, amb el recull de materials específics interactius. / This research is done from the need to understand and describe the impact of new technologies in our society and in relation to the learning of students with specific educational needs. In more recent studies Cabero (2009) refers to the relationship is maintained between education and technology, is when you start to talk about the role of new technologies (TIC / TAC) to open new methods of teaching and learning, and bring reality in the classroom, school context. The theoretical framework emphasizes the evolution of the concept of special education, citing the most common types present in the classroom and measures to address them, with reference to the legislation. Regarding the empirical framework, the methodology chosen was qualitative, with the case study. The proposed action is to create a portal of digital and interactive collection of specific materials to meet the needs of students.

En l'actualitat es coneix un gran ventall d'enzims naturals capaços de catalitzar la formació d'enllaços caboni-carboni amb estereoquímica definida que obren noves perspectives en el camp de la síntesi asimètrica aportant solucions sintètiques en camps difícils d'abordar des de la perspectiva de la síntesi orgànica convencional. Aquests enzims són bàsicament aldolases i transcetolases. En concret es coneix una família de quatre aldolases depenents de DHAP que catalitzen la formació d'un enllaç C-C amb generació de dos nous centres quirals amb estereoquímica definida i complementària: segons l'aldolasa utilitzada s'obtindrà de forma específica un dels quatre diaestereoisòmers possibles. Aquesta família d'aldolases ha despertat un gran interès com a eina sintètica.El projecte en que s'emmarca aquesta tesi aposta per l'estudi d'aquest grup de biocatalitzadors i pretén contribuir al desenvolupament pràctic de les aldolases centrant-se en els aspectes de producció dels enzims i en el desenvolupament de metodologia per a la seva utilització en síntesi quiral.En aquesta memòria de tesi doctoral s'estudia la millora de producció de l'aldolasa Fuc-1-PA en E.coli, com enzim model d'aquesta família d'aldolases depenents de DHAP. L'objectiu és definir un procés optimitzat i reproduïble per a la seva obtenció a escala productiva. Amb aquest objectiu global, es consideren els principals aspectes que condicionen la sobreexpressió de proteïnes recombinants E.coli. Primer, s'estudia la influència de la composició del medi de cultiu en el creixement i sobreexpressió recombinant. Segon, es treballa en el desenvolupament d'una estratègia de cultiu semicontínua adequada per assolir cultius d'alta densitat cel.lular de forma reproduïble. Un cop fixades les condicions d'operació per al creixement segons aquesta estratègia semicontínua, és possible definir els criteris d'inducció per maximitzar la producció de Fuc-1-PA al procés. Finalment, s'aborda la millora genètica del procés provant un nou sistema d'expressió recombinant desenvolupat pensant en la seva aplicació a escala de producció. / Nowadays, a considerable number of wild-type enzymes catalazing formation of stereo chemically defined C-C bond as natural function have been discovered. These enzymes have opened new possibilities in quiral chemistry field as they could mean a solution for problems impossible to be solved right now with conventional organic chemistry alternatives. These enzymes are, basically, aldolases and transketolases. It is important to point here out that it is known a four members DHAP dependent aldolases family which is able to catalyze the formation of a new C-C bond which results in the formation of two new quiral centers with complementary and perfectly defined stereochemistry. Hanging on the aldolase employed in the new C-C bond synthesis it is obtained specifically one of the four possibles diastereoysomers. This family has been considered really interesting as synthetic tool.The project this thesis work is related to, is focused on the study of these biocatalyzers group and its main goal is the practical knowledge of aldolases: learn new techniques for maximize their production and make it possible their final application as quiral synthetic tools.In this work, improvements in Fuculose-1-phosphate aldolase production are studied, as enzyme model of this four members family. The final goal fixed for this work is define a optimizated and reproducible process for its production at industrial scale. To obtain this final goal, here are studied the most important points affecting recombinant proteins production in E. coli. First, study of growth media composition influence in growth and recombinant overexpression. Second, search of a new semi-continues fermentation strategy which allows obtain high cell density cultures in a reproducible way. Once, growth conditions have been fixed related to this new semi continues fermentation strategy, it is possible to work on induction criteria definition in order to maximize Fuc-1-FA production. Finally, work has been focused on genetic improvement of the process. We have tested a new recombinant expression system for industrial scale application: ORT expression System.

Aquest treball es centra en l’estudi del procés de producció de la proteïna Ramnulosa 1-fosfat aldolasa (RhuA) en cultius d’alta densitat cel·lular d’Escherichia coli M15ΔglyA [pREP-4] pQEαβrham i la seva posterior purificació i immobilització a partir de tècniques de cromatografia d’afinitat a metalls. L’estudi de diferents estratègies de procés en bioreactor a escala laboratori heretades de treballs anteriors al grup de recerca on s’emmarca aquest treball permeten determinar una estreta dependència entre les condicions d’operació amb què es du a terme el procés i la qualitat (UA·mg-1RhuA) de la proteïna recombinant sintetitzada així com els rendiments de purificació de la proteïna sobre suports de tipus IMAC. És per aquest motiu doncs, que s’avaluen diferents estratègies de procés alternatives amb l’objectiu de maximitzar la qualitat de la proteïna recombinant sintetitzada i mantenir elevats nivells de purificació i immobilització d’aquesta per al seu ús com a biocatalitzador. Un primer pas per a l’optimització de la qualitat proteica consisteix a modelitzar matemàticament la producció de la proteïna recombinant en cultius d’alta densitat cel·lular en bioreactors a escala laboratori amb l’objectiu d’identificar l’efecte de les principals variables operacionals sobre aquesta. La modelització es realitza sobre una estratègia de procés base diferent de les heretades de treballs anteriors, que permet obtenir qualitats proteiques de partida superiors i identifica l’acumulació de glucosa, principal font de carboni, com a possible causa de degradació proteica ben entrada la fase d’inducció del cultiu a partir d’IPTG. Per altra banda, l’efecte de la inducció sobre el creixement cel·lular i sobre la pròpia producció de RhuA planteja la necessitat de redefinir les estratègies de cultiu implementades durant l’etapa d’inducció responent a perfils d’alimentació lineals (no incrementals) front els exponencials pre-programats tradicionals i a l’addició de determinats aminoàcids, prèviament a la inducció (i després d’un estudi de l’estructura primària de la proteïna), per tal de minimitzar les respostes d’estrès cel·lular a la sobreexpressió de proteïna. La combinació d’aquestes estratègies a escala laboratori porten a l’avaluació de la viabilitat del procés a una major escala productiva (30 L) amb resultats prometedors (màxims nivells d’activitat enzimàtica produïda i increments considerables de la quantitat de proteïna intracel·lular acumulada front d’estratègies de cultiu estàndard) que obren les portes a posteriors estudis per tal d’explotar la potencialitat del procés. / This work focuses on the study of the production process of the protein Rhamnulose 1-phosphate aldolase (RhuA) in high cell density cultures of Escherichia coli M15ΔglyA [PREP-4] pQEαβrham and its purification and immobilization through immobilized metal ion affinity chromatography techniques. The study of different process strategies in a laboratory scale bioreactor inherited from previous work allowed to determine a close dependency between the operating conditions that the culture is carried out through and protein quality ( AU·mg-1RhuA) as well as immobilization yields on IMAC supports. For this reason then, several alternative process strategies were tested in order to maximize the quality of the recombinant protein synthesized and maintain high yields of purification and immobilization to effectively use it as a biocatalyst. A first step for protein quality optimization was achieved by mathematical modeling the production of Rhamnulose 1-phosphate aldolase in high cell density cultures of E. coli in laboratory scale bioreactors in order to identify the effect of main operational variables on it. Cultures performed to calibrate the mathematical model were carried out through specific process strategies different than those inherited from earlier studies. These strategies allowed to obtain better values of protein quality and also to identify accumulation of glucose, the main carbon source, as a possible cause of protein degradation at the end of the induction stage of the process. Moreover, the effect of induction on cell growth and on RhuA production itself raised the need to redefine process strategies to be implemented during the induction stage of the process. Linear feeding profiles versus traditional predefined exponential feeding profiles and the addition of certain amino acids, before the induction stage (as a result of the study of the primary structure of the recombinant protein), were implemented to minimize the stress responses to overexpression of protein. The combination of these strategies, effective at laboratory scale, was used to scale-up the process to a 30 L fermenter to determine the feasibility of the process at a larger productive scale. Results obtained were promising from a production of RhuA point of view since maximum values for enzymatic activity were achieved and considerably increase of the amount of intracellular accumulated protein (comparing with induction schemes at the same intensity) was detected. The results open the door to further studies to be done in order to fully exploit the potential of the process

Durant el curs d'aquest treball s'han realitzat l'expressió de la lipasa de Rhizopus oryzae (ROL) sota en control del promotor FLD1 en el llevat Pichia pastoris i s'ha desenvolupat una estratègia de cultiu en semi-discontinu lliure de metanol. En primer lloc es va realitzar la construcció d'un vector d'expressió que conté el gen de la ROL i el promotor FLD1. Aquest vector va ser subseqüentment transformat a P. pastoris. Els cultius en discontinu en bioreactor van revelar l'efecte sinèrgic del metanol i la metilamina com a substrats inductors sobre el promotor FLD1. A més, l'ús de sorbitol com a font de carboni, combinat amb la metilamina, ha resultat ser una combinació atractiva per evitar l'ús de metanol en cultius a altes densitats cel·lulars.En segon lloc es va desenvolupar una estratègia de cultiu en semi-discontinu fent servir sorbitol i metilamina com a fonts de carboni i nitrogen respectivament. Es van dur a terme tres cultius a diferents velocitats específiques de creixement, 0.005 h-1, 0.01 h-1, i 0.02 h-1. El nivell més alt de proteïna recombinant es va obtenir al cultiu realitzat a 0.02 h-1. Malgrat això la velocitat específica de producció a tots tres cultius es va disminuir després d'arribar a un màxim a prop de les 30 hores de cultiu. Per tal d'analitzar els potencials colls d'ampolla al procés de plegament i secreció, i la possible activació de la resposta a estres per proteïnes mal plegades (UPR) durant l'expressió de ROL, es van analitzar els nivell de la xaperona BiP, indicativa d'estres. També es van analitzar els nivells intracel·lulars de ROL. Es va utilitzar la immunofluorescència, combinada amb la citometria de flux per analitzar els nivells d'aquestes proteïnes. El increment dels nivells intracel·lulars de BiP i ROL durant la fase d'inducció dels cultius va indicar una possible activació de la resposta d'estres.Es va proposar una estratègia d'enginyeria metabòlica per tal alleujar els possibles colls d'ampolla en la via de plegament i secreció. El gen HAC1 de Saccaromyces cerevisiae es va clonar i expressar constitutivament a les cèl·lules de P. pastoris co-expressant ROL. El gen HAC1 codifica per un factor de transcripció el qual és responsable de l'activació del gens relacionats amb el UPR. Els resultats dels cultius amb les soques que expressen constitutivament el gen HAC1 van mostrar un increment en els nivells d'expressió de ROL, demostrant l'efecte positiu sobre el plegament i la secreció d'aquesta modificació. Per altra banda, una segona modificació es va realitzar per a millorar l'eficiència de secreció. El gen GAS1, el qual codifica per a una glycoproteïna ancorada a la membrana plasmàtica la qual realitza els unions entre els ?-glucans de la paret cel·lular va ser disruptat. La deleció d'aquest gen va provocar un canvi a la conformació de la paret cel·lular, fent-la més permeable al pas de proteïnes, fet que va resultar en un increment en els nivells de ROL extracel·lular. També es va dur a terme l'estudi dels nivells de transcripció de determinats gens de d'interès rellevant de P. pastoris. Concretament es van quantificar els nivells de transcripció del gen de l'alcohol oxidasa (AOX1), la formaldehid deshidrogenase (FLD1), la protein disulfide isomerase (PDI), la proteina BiP (gen KAR2), el 26S rRNA, i el gen de la proteïna ROL. Els nivells de transcripció d'aquests gens es van quantificar fent servir el sandwich hybridization assay basat en la immobilització específica dels mRNAs sobre esferes magnètiques i la seva posterior detecció mitjançant fluorimetria. La velocitat específica de producció va resultar ser un factor clau en els nivells de transcripció dels gens analitzats; a més, els resultats van aportar noves evidencies que l'expressió de ROL activa la resposta a estres. Finalment, amb l'objectiu de determinar la localització intracel·lular a P. pastoris del producte recombinant, el gen de la ROL es va fusionar amb el de la green fluorescent protein d'Aequorea victoria. En cultius en discontinu els nivells d'expressió de la proteïna de fusió van ser deu vegades inferiors als del cultiu control expressant solament ROL. A més, es va observar que la fluorescència d'un producte associat al creixement de P. pastoris, probablement la riboflavina, es superposava al senyal de la GFP al medi extracel·lular. Per altra banda es va observar una acumulació intracel·lular de la proteïna de fusió localitzada a l'espai periplasmàtic i dins de compartiments cel·lulars amb aparença vacuolar. Aquest estudi ha permès el desenvolupament i la millora del sistema d'expressió de P. pastoris basant-se en l'ús del promotor FLD1 com a alternativa al clàssic AOX1. / During the course of this work, the expression of a Rhizopus oryze lipase (ROL) under the control of the FLD1 promoter in the methylotrophic yeast Pichia pastoris, as well as the development of methanol-free cultivation processes and metabolic engineering strategies for process improvement has been carried out. First, an expression vector containing the ROL gene and the FLD1 promoter from P. pastoris was constructed and subsequently transformed in P. pastoris. Bioreactor batch cultivations revealed the synergetic effect of methanol and methylamine on the FLD1 promoter induction. Moreover, the use of sorbitol as carbon source, combined with methylamine as nitrogen source, was found to be an attractive alternative to the use of methanol for high cell density cultivations. Second, a new fed-batch fermentation strategy was developed using sorbitol and methylamine as carbon and nitrogen source, respectively. Three fed-batches were performed at different specific growth rates, 0.005 h-1, 0.01 h-1, and 0.02 h-1. The specific growth rate was controlled during induction phase in the 0.005 h-1, 0.01 h-1 fermentations by implementing an exponential feeding rate at limiting substrate concentration. The highest lipase productivity was obtained in the fed-batch performed at the 0.02 h-1 specific growth rate. However, product production rate of all three fermentations dropped soon after reaching a maximum at about 30 hours of culture. Third, in order to analyze potential bottlenecks in the protein folding or secretion pathway and, in particular, the potential activation of the unfolded protein response (UPR) during ROL overexpression and intracellular accumulation, the levels of a reticle endoplasmatic-resident chaperone (BiP), its induction has been related to the activation of the UPR, as well as the intracellular levels of ROL were analyzed by immunofluorescence staining combined with flow cytometry. The increase of BiP and ROL levels during the induction phase of fed-batch cultivations indicated the possible activation of the UPR. Fourth, a metabolic engineering strategy was proposed to alleviate the supposed bottleneck in the folding and secretion pathway. The Saccharomyces cerevisiae HAC1 gene was cloned and constitutively expressed in P. pastoris co-expressing ROL. The HAC1 gene codifies for a transcriptional factor which activates the UPR related genes expression. The constitutively activation of the UPR was aimed at sustaining a better protein folding and secretion efficiency. Results from the HAC1-engineered strain showed an increase in the product expression, demonstrating the positive effect of such modification on protein folding and secretion.Besides, a transcriptional analysis of some bioprocess-relevant genes of the ROL-expressing P. pastoris strains was carried out. In particular, the alcohol oxidase 1 (AOX1), formaldehyde dehydrogenase (FLD1), protein disulfide isomerase (PDI), binding protein (KAR2), 26S rRNA and the recombinant product (ROL) mRNA levels were monitored in both shake flask and fed-batch cultivations. The mRNA levels of these genes were quantified by using a sandwich hybridization assay based on immobilization of the desired mRNA on magnetic beads and subsequent detection by a fluorescence-based technique. The specific growth rate showed to be a key factor in the transcriptional level of the analyzed genes; moreover, the results gave additional evidence to the hypothesis that ROL triggers the UPR. Fifth, a second genetic modification was carried out in order to improve the secretion efficiency of ROL. The P. pastoris GAS1 gene, which codifies for a glycoprotein anchored to the outer layer of the plasma membrane performing cross links between the cell wall ?-glucans, was disrupted. The deletion of this gene provoked a change in the cell wall conformation, causing an increase of the cell wall porosity and permeability, i.e. allowing for a better release of the recombine product. Finally, in order to gain further insights on the potential accumulation of the recombinant product, ROL gene was fused with the Aequorea victoria green fluorescence protein (GFP) gene and expressed in P. pastoris. In batch culture the expression of the ROL as a fusion protein caused an important decrease in the extracellular levels of the recombinant lipase activity when compared with the control. Also, the presence of growth-related product, probably riboflavin, was found to interfere with the extracellular GFP signal. Besides, an intracellular accumulation of the fusion protein was observed both in the cell's periplasm and in vacuolar-like compartments. Overall, this study has allowed the development and improvement of the P. pastoris expression system based on the formaldehyde deshydrogenase promoter as an alternative to the classic methanol inducible alcohol oxidase promoter.