[ES] La biotecnología moderna se basa en la aplicación de una mezcla de herramientas experimentales y computacionales para llevar a cabo de forma dirigida la ingeniería genética. El objetivo es obtener células (re)programadas que implementen nuevas funciones o que sirvan como herramientas para el estudio de sistemas biológicos. En este contexto, el uso de bacterias en biotecnología está muy extendido. Sin embargo, la implementación de circuitos genéticos para el aprovechamiento de estos seres vivos puede verse limitada por procesos biológicos naturales; es decir, los circuitos diseñados (o naturales) pueden verse afectados por el transcurso del tiempo o por cambios en el entorno en el que crecen las bacterias. En esta tesis, nos propusimos seguir un enfoque integrador para estudiar cómo las bacterias responden en el tiempo y el espacio a los cambios genéticos y ambientales, que pueden afectar la funcionalidad de los circuitos de interés biotecnológico. Usamos Escherichia coli como organismo modelo, explotando una variedad de herramientas experimentales para trabajar con él. En primer lugar, estudiamos cómo los cambios ambientales y genéticos afectan la funcionalidad de un circuito genético sintético que implementa un comportamiento lógico sofisticado. Descubrimos que hay amplios rangos de concentración de entrada que el sistema puede procesar correctamente, que el circuito diseñado es bastante sensible a los efectos de la temperatura, que la expresión de pequeños ARN heterólogos es costosa para la célula y que una reorganización genética adecuada del sistema para reducir la cantidad de ADN heterólogo en la célula puede mejorar su estabilidad evolutiva. En segundo lugar, estudiamos el crecimiento bacteriano en entornos en los que existen materiales nanoestructurados. Descubrimos que las poblaciones bacterianas se pueden controlar en gran medida mediante el uso de marcos organometálicos, ya que estos materiales nanoestructurados pueden descomponerse lentamente en medios biológicos liberando agentes antimicrobianos (metales y compuestos orgánicos, incluidos los antibióticos). Analizamos la respuesta bacteriana espaciotemporal siguiendo un enfoque experimental y teórico combinado en un entorno tan complejo y desafiante en medios líquidos y sólidos. Además de las variaciones en el rendimiento debido a cambios ambientales, también se debe considerar que esos circuitos genéticos evolucionarán con el tiempo debido a la acumulación estocástica de mutaciones. Estas mutaciones pueden dar lugar a cambios en la funcionalidad de los circuitos reguladores. Por tanto, en tercer lugar, realizamos un experimento de evolución a largo plazo para estudiar la contribución de un sistema de chaperonas de proteínas en la modulación de la estabilidad evolutiva. En los últimos años, se ha demostrado que los sistemas de chaperonas, como GroES/EL, pueden amortiguar o purgar mutaciones. Realizamos la secuenciación del genoma completo en diferentes líneas con diferentes niveles de expresión de GroEL y también medimos la tasa de crecimiento de las células al principio y al final del experimento evolutivo. Sin embargo, nuestros resultados no fueron concluyentes, por lo que se necesita más investigación para comprender completamente el papel de GroES/EL en la evolución y evaluar su utilidad potencial en biotecnología. En conjunto, esta tesis intenta avanzar en nuestro conocimiento sobre cómo las bacterias, y E. coli en particular, se comportan como se espera cuando el entorno se altera, la fisiología cambia y pasa mucho tiempo, para posibles aplicaciones industriales o (pre)clínicas. / [CA] La biotecnologia moderna es basa en l'aplicació d'una mescla d'eines experimentals i computacionals per a realitzar de forma dirigida l'enginyeria genètica. L'objectiu és obtindre cèl·lules (re)programades que implementen noves funcions o que servisquen com a eines per a l'estudi de sistemes biològics. En aquest context, l'ús de bacteris en biotecnologia està molt estés. No obstant això, la implementació de circuits genètics per a l'aprofitament d'aquests éssers vius pot veure's limitada per processos biològics naturals; és a dir, els circuits dissenyats (o naturals) poden veure's afectats pel transcurs del temps o per canvis en l'entorn en el qual creixen els bacteris. En aquesta tesi, ens vam proposar seguir un enfocament integrador per a estudiar com els bacteris responen en el temps i l'espai als canvis genètics i ambientals, que poden afectar la funcionalitat dels circuits d'interés biotecnològic. Usem Escherichia coli com a organisme model, explotant una varietat d'eines experimentals per a treballar amb ell. En primer lloc, estudiem com els canvis ambientals i genètics afecten la funcionalitat d'un circuit genètic sintètic que implementa un comportament lògic sofisticat. Descobrim que hi ha amplis rangs de concentració d'entrada que el sistema pot processar correctament, que el circuit dissenyat és bastant sensible a l'efecte de la temperatura, que l'expressió de xicotets ARN heteròlegs és costosa per a la cèl·lula i que una reorganització genètica adequada del sistema per a reduir la quantitat d'ADN heteròleg en la cèl·lula pot millorar la seua estabilitat evolutiva. En segon lloc, estudiem el creixement bacterià en entorns en els quals existeixen materials nanoestructurats. Descobrim que les poblacions bacterianes es poden controlar en gran manera mitjançant l'ús de marcs organometàlics, ja que aquests materials nanoestructurats poden descompondre's lentament en medis biològics alliberant agents antimicrobians (metalls i compostos orgànics, inclosos els antibiòtics). Analitzem la resposta bacteriana espai-temporal seguint un enfocament experimental i teòric integrador en un entorn tan complex i desafiador en mitjans líquids i sòlids. A més de les variacions en el rendiment degut a canvis ambientals, també s'ha de considerar que aqueixos circuits genètics evolucionaran amb el temps degut a l'acumulació estocàstica de mutacions. Aquestes mutacions poden donar lloc a canvis en la funcionalitat dels circuits reguladors. Per tant, en tercer lloc, realitzem un experiment d'evolució a llarg termini per a estudiar la contribució d'un sistema de chaperones de proteïnes en la modulació de l'estabilitat evolutiva. En els últims anys, s'ha demostrat que els sistemes de chaperones, com GroES/EL, poden esmorteir o purgar mutacions. Realitzem la seqüenciació del genoma complet en diferents línies amb diferents nivells d'expressió de GroEL i també mesurem la taxa de creixement de les cèl·lules al principi i al final de l'experiment evolutiu. No obstant això, els nostres resultats no van ser concloents, per la qual cosa es necessita més investigació per a comprendre completament el paper de GroES/L en l'evolució i avaluar la seua utilitat potencial en biotecnologia. En conjunt, aquesta tesi intenta avançar en el nostre coneixement sobre com els bacteris, i E. coli en particular, es comporten com s'espera quan l'entorn s'altera, la fisiologia canvia i passa molt temps, per a possibles aplicacions industrials o (pre)clíniques. / [EN] Modern biotechnology is based on applying a mix of experimental and computational tools to perform in a directed way genetic engineering. The aim is to obtain (re)programmed cells that implement new functions or that serve as tools for the study of biological systems. In this context, the use of bacteria in biotechnology is widespread. However, the implementation of genetic circuits for the use of these living beings may be limited due to natural biological processes; that is, the engineered (or natural) circuits may be affected by the course of time or by changes in the environment in which bacteria grow. In this thesis, we proposed to follow an integrative approach to study how bacteria respond in time and space to genetic and environmental changes, which may affect the functionality of the circuits of biotechnological interest. We used Escherichia coli as a model organism, exploiting a variety of experimental tools to work with it. Firstly, we studied how environmental and genetic changes affect the functionality of a synthetic genetic circuit that implements a sophisticated logic behavior. We found that there are wide input concentration ranges that the system can correctly process, that the engineered circuitry is quite sensitive to temperature effects, that the expression of heterologous small RNAs is costly for the cell, and that a proper genetic reorganization of the system to reduce the amount of heterologous DNA in the cell can improve its evolutionary stability. Secondly, we studied of bacterial growth in environments in which there are nanostructured materials. We found that bacterial populations can be greatly controlled through the use of metal-organic frameworks, as these nanostructured materials can slowly decompose in biological media releasing antimicrobials (metals and organic compounds, including antibiotics). We analyzed the spatiotemporal bacterial response following a combined experimental and theoretical approach in a such a complex and challenging environment in both liquid and solid media. In addition to variations in performance due to environmental changes, it must also be considered that those gene circuits will evolve over time due to the stochastic accumulation of mutations. These mutations can lead to changes in the functionality of the regulatory circuits. Then thirdly, we performed an experiment of long-term evolution to study the contribution of a protein chaperone system in modulating evolutionary stability. In recent years, it has been shown that chaperone systems, such as GroES/EL, can buffer or purge mutations. We performed whole-genome sequencing over different lines with varying expression levels of GroEL, and also measured the growth rate of the cells at the beginning and the end of the evolutionary experiment. However, our results were not conclusive, so further research is needed to fully understand the role of GroES/EL in evolution and to assess its potential utility in biotechnology. Taken together, this thesis tries to advance our knowledge on how bacteria, and E. coli in particular, behave as expected when the environment is perturbed, the physiology changes, and long time passes, for potential industrial or (pre)clinical applications. / Montagud Martínez, R. (2023). Study of Spatiotemporal Responses of Bacterial Cells [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193030

[ES] La presente tesis doctoral, se ha centrado principalmente en el diseño racional, síntesis, caracterización y evaluación catalítica de nanomateriales mono- y bimetálicos multifuncionales, con la estructura adecuada para promover de manera eficiente procesos de activación hidrogenativa de imidas cíclicas para obtener un gran número de lactamas, estructuras altamente interesantes en campos tan diversos como la industria farmacéutica o el desarrollo de polímeros. Por un lado, se ha desarrollado un nanomaterial bimetálico [AgRe/Al2O3], que ha mostrado una alta eficiencia, robustez y reusabilidad para promover la hidrodesoxigenación de imidas cíclicas. Mediante el uso de técnicas de vanguardia de caracterización de superficies sólidas se ha podido manifestar que la formación de una fase mixta AgReO4 no ha sido inocente para lograr las mejores propiedades catalíticas. La gran aplicabilidad del protocolo sintético se ha demostrado con la obtención de más de 60 compuestos de interés, partiendo de una gran variedad de imidas cíclicas (simétricas y asimétricas) promovida por el sistema [AgRe/Al2O3] y generándose agua como único subproducto de reacción. Por otro lado, se ha diseñado un sistema basado en nanopartículas de Ag con un tamaño medio de 2.2 nm dispersas sobre la matriz de gamma-Al2O3, y se ha demostrado su gran eficiencia para promover la monohidrogenación de ftalimidas a omega-hidroxilactamas. La evaluación de la influencia del grado de dispersión de los nanoagregados metálicos, las propiedades ácidas de Lewis junto con todos los resultados catalíticos obtenidos, han permitido proponer que la existencia de centros activos fruto de la combinación cooperativa entre especies de Ag metálica con habilidad para adsorber y disociar H2, y especies ácidas de Lewis de Al3+ encargadas de aumentar la electrofilia del enlace (C=O) de la imida, constituye el factor fundamental para alcanzar las mejores prestaciones catalíticas del sistema.. Bajo las condiciones de reacción optimizadas, se ha conseguido acceder a más de15 omega-hidroxilactamas distintas. Finalmente, se ha desarrollado con éxito un sistema sólido tipo composite [Ag(12.5%)/Al2O3]-[HBETA] estable y reusable, resultado de la combinación física del nanomaterial [Ag/Al2O3] y una zeolita protónica con topología BEA y relación molar (Si/Al = 10.5), que muestra una excelente eficiencia para promover la funcionalización hidrogenativa one-pot de uno de los grupos carbonilo de ftalimidas generando las correspondientes isoindolinonas C3-funcionalizadas con excelentes rendimientos. En presencia de hidrógeno molecular y agentes nucleófilos de diversa naturaleza, tales como alcoholes, aminas, nitrobencenos y sustratos aromáticos, se ha podido llevar a cabo hidrogenación parcial de uno de los carbonilos de una variedad de ftalimidas seguida de la formación selectiva de un nuevo enlace C-O, C-N o C-C conduciendo a la obtención de más de 30 derivados de isoindolinona funcionalizados en posición contigua al átomo de nitrógeno. Es muy destacable el empleo por primera vez, de nitrobencenos directamente como pronucleófilos en este tipo de procesos hidrogenativos. / [CA] La present tesi doctoral s'ha centrat principalment en el disseny racional, síntesi, caracterització i avaluació catalítica de nanomaterials mono- i bimetàl·lics multifuncionals, amb l'estructura adequada per promoure de manera eficient processos d'activació hidrogenativa d'imides cícliques per obtenir un gran nombre de lactames, estructures altament interessants per les propietats que presenen en camps tan diversos com la indústria farmacéutica i el desenvolupament de polímers. D'una banda, s'ha desenvolupat un nanomaterial bimetàl·lic [AgRe/Al2O3], que ha mostrat una elevada eficiència, robustesa i reutilitzabilitat per promoure la hidrodesoxigenació d'imides cícliques. Mitjançant l'ús de tècniques a l'avantguarda de la caracterització de superfícies sòlides, s'ha pogut manifestar com la formació d'una fase mixta AgReO4 no ha estat innocent per aconseguir les millors propietats catalítiques. La gran aplicabilitat del protocol sintètic s'ha demostrat amb l'obtenció de més de 60 compostos d'interès partint d'una gran varietat d'imides cíc·liques (simètriques i asimètriques) promoguda pel sistema [AgRe/Al2O3] i generant-se aigua com a únic subproducte de la reacció. D'altra banda, s'ha dissenyat un sistema basat en nanopartícules d'Ag amb una mida mitjana de 2.2 nm disperses sobre la matriu de gamma-Al2O3, i s'ha demostrat la seua gran eficiència per promoure la monohidrogenació de ftalimides a omega-hidroxilactames. L'avaluació de la influència del grau de dispersió dels nanoagregats metàl·lics, les propietats àcides de Lewis juntament amb tots els resultats catalítics obtinguts, han permès proposar que l'existència de centres actius com a combinació cooperativa entre espècies d'Ag metàl·lica amb habilitat per adsorbir i dissociar H2, i espècies àcides de Lewis d'Al3+ encarregades d'augmentar l'electrofília de l'enllaç (C=O) de la imida, constitueix el factor fonamental per aconseguir les millors prestacions catalítiques del sistema emprat. Sota les condicions de reacció optimitzades, s'ha aconseguit accedir a més de 15 omega-hidroxilactames diferents. Finalment, s'ha desenvolupat amb èxit un sistema sòlid tipus composite [Ag(12.5%)/Al2O3]-[HBETA] estable i reutilitzable, resultat de la combinació física del nanomaterial [Ag/Al2O3] i una zeolita protònica amb topologia BEA i relació molar (Si/Al = 10.5), que ha mostrat una excel·lent eficiència per promoure la funcionalització hidrogenativa one-pot d'un dels grups carbonil de la ftalimida generant les corresponents isoindolinones C3-funcionalitzades amb excel·lents rendiments. En presència d'hidrogen molecular i nucleòfils de diversa naturalesa, com ara alcohols, amines, nitrobenzens i substrats aromàtics, s'ha pogut dur a terme la hidrogenació parcial d'un dels carbonils d'una varietat de ftalimides seguida de la formació selectiva d'un nou enllaç C-O, C-N o C-C, conduint a l'obtenció de més de 30 derivats d'isoindolinona funcionalitzats en posició contigua a l'àtom de nitrogen. És molt destacable l'ús per primera vegada, de nitrobenzens directament com a pronucleòfils en aquest tipus de processos hidrogenatius. / [EN] The present doctoral thesis has primarily focused on the rational design, synthesis, characterization, and catalytic evaluation of multifunctional mono- and bimetallic nanomaterials, with the appropriate structure to efficiently promote hydrogenative activation processes of cyclic imides to obtain a large number of lactams, highly interesting structures in the development of new drugs and polimers. On the one hand, a bimetallic nanomaterial [AgRe/Al2O3] has been developed, which has shown high efficiency, robustness, and reusability to promote the hydrodeoxygenation of cyclic imides. By using advanced techniques for characterizing solid surfaces, it has been demonstrated that the formation of a mixed AgReO4 phase has been crucial in achieving the best catalytic properties. The wide applicability of the synthetic protocol has been shown with the production of more than 60 compounds of interest from a wide variety of cyclic imides (symmetric and asymmetric), promoted by the [AgRe/Al2O3] system and with water as the only byproduct of the reaction. On the other hand, a system based on Ag nanoparticles with an average size of 2.2 nm dispersed on the gamma-Al2O3 matrix has been designed, and its great efficiency in promoting the monohydrogenation of phthalimides to omega-hydroxylactams has been demonstrated. Evaluating the influence of the dispersion degree of the metal nanoaggregates, the Lewis acidic properties along with all the catalytic results obtained has allowed proposing that the existence of active centers resulting from the cooperative combination between metallic Ag species with the ability to adsorb and dissociate H2, and Lewis acidic Al3+ species responsible for increasing the electrophilicity of the imide (C=O) bond, constitutes the fundamental factor for achieving the best catalytic performance of the employed system. Under optimized reaction conditions, it has been possible to access more than 15 different omega-hydroxylactams. Finally, a stable and reusable composite solid [Ag(12.5%)/Al2O3]-[HBETA] system has been successfully developed, resulting from the physical combination of the nanomaterial [Ag/Al2O3] and a protonic zeolite with BEA topology and molar ratio (Si/Al = 10.5) as an additive. This material shows excellent efficiency in promoting the one-pot hydrogenative functionalization of one of the carbonyl groups of the phthalimide, generating the corresponding C3-functionalized isoindolinones with excellent yields. In the presence of molecular hydrogen and diverse nucleophilic agents, such as alcohols, amines, nitrobenzenes, and aromatic substrates, it has been possible to carry out partial hydrogenation of one of the carbonyls of a variety of phthalimides followed by the selective formation of a new C-O, C-N, or C-C bond leading to the production of more than 30 isoindolinone derivatives functionalized in the position adjacent to the nitrogen atom. Notably, nitrobenzenes have been used directly as pronucleophiles in this type of hydrogenative process for the first time. / El meu agraïment a les entitats que hi han finançat el desenvolupament d’esta tesi doctoral, com les subvencions a l’excel·lència científica de júniors investigadors (SEJI/2019/006 i SEJI/2020/013) i el programa Prometeo (PROMETEO/2021/077) de la Generalitat Valenciana. També al programa Retos I+D+I del Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats (PID2019-109656RA-I0/AEI/10.13039/501100011033) i al projecte Repsol / Lluna Galán, C. (2024). Diseño de materiales multifuncionales basados en Ag y/o Re para el desarrollo de metodologías hidrogenativas de imidas cíclicas para la obtención de lactamas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/210910