Doctoral theses defended

La espectroscopía de microondas estudia transiciones entre estados rotacionales de moléculas o complejos intermoleculares en fase gas. En esta Tesis Doctoral, ilustramos los diferentes grados de aplicación de la espectroscopía rotacional moderna a diferentes problemáticas en Química. En concreto, se estudian diferentes sistemas moleculares que se han analizado mediante dos espectrómetros de microondas en la Universidad de País Vasco (UPV/EHU). La principal información que se puede obtener de los espectros de rotación es el valor de las contantes rotacionales. Éstas están relacionadas con los momentos de inercia y, en consecuencia, con la estructura tridimensional de la molécula. Por ello, el campo de la espectroscopía de rotación se ha dedicado tradicionalmente a la determinación estructural de sistemas moleculares en fase gas. Sin embargo, en la actualidad, los numerosos avances tecnológicos en el campo, así como el desarrollo de métodos teóricos han abierto una multitud de posibilidades para el campo de la espectroscopia de rotación. En esta Tesis Doctoral, demostramos la validez de esta técnica en diferentes problemáticas como el análisis de espacios conformacionales complejos de biomoléculas flexibles, equilibrios tautoméricos, la delicada relación entre cálculos teóricos y resultados experimentales o la posible aplicación de la espectroscopia de rotación como técnica analítica. Para ello, presentamos el análisis conformacional de ¿- y ß-ionona y ß-damascona, tres biomoléculas flexibles que presentan numerosas conformaciones en fase gas. También exploramos el estudio estructural de la cotinina (nicotinoide), que nos permite demostrar la compatibilidad de los dos espectrómetros de microondas de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU). Por otra parte, analizamos el equilibrio tautomérico de la purina (prototipo de las nucleobases del ADN adenina y guanina) y resolvemos la complicada estructura hiperfina de esta molécula. Las moléculas metil jasmonato y zingerone sirven de ejemplo idóneo de la sutil relación entre cálculos teóricos y espectroscopia rotacional. Además, analizamos el espacio conformacional del metil 2-deoxi-D-ribofuranosa en fase gas y en disolución y demostramos así la complementariedad de los estudios rotacionales con otras técnicas de elucidación estructural en disolución. Por último, estudiamos el mecanismo de degradación de la perovskita híbrida CH3NH3PbI3, cuya implementación en placas solares se está estudiando, y exploramos el potencial de la espectroscopia de microondas como técnica analítica.

La imagen por espectrometría de masas es u na técnica analítica que permite obtener la distribución espacial de diferentes analitos en superficies. El objetivo de IMS en bioquímica es la de detectar los constituyentes moleculares del tejido, lípidos en nuestro caso, para poder entender mejor las conexiones entre el genoma, el fenotipo y la respuesta biológica en algu na patología. Au nque haya demostrado ser u na técnica valiosa, para que IMS logre su máximo potencial para su aplicación en clínica, hay algunos desafíos que deben ser reconocidos y superados. El objetivo de esta tesis fue reconocer estos obstáculos y centrarse en el desarrollo y aplicación de herramientas analíticas para optimizar los experimentos. Cada capítulo trata sobre un aspecto específico de la metodología de MALDI-IMS. Así, en el capítulo 4 trataremos la necesidad de resolución espacial celular para poder relacionar el lipidoma con la diferenciación celular y predecir el estado fisiológico de las células en biopsias de colon humano. Por otro lado, en el capítulo 5 se abordará dos problemas que los estudios multicomparativos presentan: la heterogeneidad de los tejidos y la necesidad de una exhaustiva identificación de lípidos. Para ello se utilizarán biopsias de melanoma y nevus. Por último, se introducirá el concepto de lab-on-a chip como nueva herramienta analítica para su aplicación en clínica.

El objetivo fundamental de la presente Tesis Doctoral reside en entender cuáles son los principales caminos de relajación fotofísicos y fotoquímicos disponibles en moléculas biológicamente relevantes, además de evaluar como los cambios estructurales y/o las interacciones intermoleculares son capaces de alterar la fotoestabilidad de estas especies. Para ello, se ha investigado la dinámica de relajación de diferentes sistemas moleculares, tanto en fase gas como en fase condensada, mediante técnicas espectroscópicas resueltas en el tiempo con resolución de femtosegundos. La primera parte de la memoria, se centra en explicar brevemente los conceptos fundamentales asociados a la dinámica molecular y en describir los distintos sistemas experimentales y métodos computacionales empleados. El primer sistema estudiado ha sido la familia de los azaindoles debido a que están considerados como precursores estructurales de las bases purínicas del ADN. Así mismo, también se ha investigado la influencia de las interacciones intermoleculares en cromóforos aromáticos como el pirrol o la anilina. Finalmente, se ha explorado experimentalmente y mediante cálculos computacionales la influencia de los sustituyentes en la fotoestabilidad de cuatro fotoprotectores sintécticos.

A pesar de los grandes avances de la imagen por espectrometría de masas (IMS), esta técnica aún requiere superar algunas limitaciones antes de despegar como una tecnología potente para su uso en clínica. El objetivo de esta tesis es mejorar algunos aspectos involucrados en el flujo de trabajo MALDI-IMS y enfocar su implementación para resolver cuestiones biológicas relacionadas con la lipidómica. Así, en el Capítulo 4 implantaremos ciertas mejoras en la preparativa de la muestra, así como en el set up óptico del espectrómetro de masas utilizado. El Capítulo 5 presenta la caracterización de las diferencias en el perfil lipídico entre el riñón normal de ratón, un modelo de lesión renal aguda (AKI) y el riñón AKI tratado con ferrostatina (Fer-1). En el Capítulo 6 se muestra la primera caracterización de los diferentes segmentos de la nefrona humana mediante MALDI-IMS de lípidos combinado con protocolos de inmunofluorescencia. Una vez caracterizado el riñón normal murino y humano, en el Capítulo 7 se realizó una comparación de los perfiles lipídicos obtenidos de estas dos especies con el fin de evaluar la calidad del ratón como un buen modelo animal para enfermedades humanas. El Capítulo 8 se centra en el estudio del lipidoma del cáncer renal de células claras (ccRCC) mediante MALDI-IMS y uHPLC y, por último, en el Capítulo 9, se examinará el lipidoma del Glioblastoma además del efecto del agente quimioterapéutico temozolomide (TMZ) sobre tejido cerebral humano.

Motivada por el impacto tecnológico del diodo eléctrico, esta tesis se dedica a explorar la física y los posibles diseños de dispositivos que tienen una respuesta asimétrica a estímulos externos. Se estudian dispositivos diferentes. Uno de ellos es el diodo térmico, un dispositivo que, análogamente al diodo eléctrico, permite el flujo de corrientes de calor en una dirección pero se comporta como un aislante en la opuesta. Se exploran varios diseños basados en cadenas de iones y átomos para obtener un diodo térmico eficaz y factible. El segundo tipo de dispositivo se basa en un potencial cuántico en una dimensión que tenga coeficientes de transmisión y reflexión asimétricos para las partículas que inciden desde la izquierda y la derecha. Este tipo de dispositivo requiere hamiltonianos no hermíticos y no locales. Se propone una implementación de un hamiltoniano no local y no hermítico en una plataforma de óptica cuántica. Esta implementación cuántico-óptica da la asimetría de transmisión/reflexión coeficientes buscada. INGLÉS Motivated by the technological impact of the electric diode, this thesis is devoted to explore the physics and possible designs of devices that have an asymmetric response to external inputs. Two different devices are studied. One of them is the thermal diode, a device that, analogously to the electric diode, allows heat currents to flow in one direction but behaves as an insulator in the opposite one. Several designs based on chains of ions and atoms are explored to obtain a performant and feasible thermal diode. The second kind of device is based on a quantum potential in 1 dimension that has asymmetric scattering coefficients for particles incident from the left and the right. This kind of device requires non-Hermitian and non-local hamiltonians. An implementation of a non-local and non-Hermitian Hamiltonian is given in a quantum-optical set-up. The quantum-optical implementation has asymmetric scattering coefficients.

Esta tesis consta de dos ramas de investigación. La primera se centra en el diseño de operaciones para controlar los sistemas cuánticos basándose en los atajos a la adiabaticidad. La otra rama es el análisis del consumo energético en estas operaciones, y en particular, cómo afecta ese coste al rendimiento de los motores cuánticos.

En el presente proyecto de tesis se presenta un extenso estudio sobre la caracterización de agregados moleculares de distinto interés biológico. Concretamente, la tesis se centra en la determinación estructural de dichos agregados y en el análisis de las interacciones no-covalentes. Éstas fuerzas son ubicuas en la naturaleza, y gobiernan una plétora de procesos químicos, industriales y biológicos, que abarcan desde la formación de pequeños agregados moleculares, hasta fenómenos supramoleculares de gran escala, como la formación de aerosoles, el plegado de proteínas o el reconocimiento molecular. Sin embargo, estas fuerzas son muy débiles, lo que dificulta en gran medida su correcta caracterización en la mayoría de técnicas. Por ello, en esta tesis, se emplea una metodología experimental capaz de aislar las moléculas de cualquier medio que perturbe dichas interacciones a la vez que permite su determinación estructural: la espectroscopía laser con resolución de masas en expansiones supersónicas. Gracias a la resolución en masa, es posible controlar el tamaño del agregado molecular de interés, permitiendo un estudio ¿a la carta¿ de las interacciones no-covalentes en distintos ambientes. Entre los sistemas estudiados, la agregación de alcoholes aromáticos nos permite caracterizar de forma aislada la relevancia de uno de los enlaces de hidrógeno en la agregación molecular, el enlace OH···O. Otra parte de la tesis se centra en el análisis de interacciones en los monosacáridos, responsables de una infinidad de procesos de reconocimiento molecular. Por último, se estudian agregados formados por xantinas, una familia de compuestos similares a las bases de ADN, con el fin de determinar el papel de las interacciones no-covalentes en los procesos que dieron al origen de la vida.

La espectroscopía rotacional es la técnica de mayor resolución que proporciona datos estructurales de las moléculas y pequeños agregados en fase gas, así como información sobre sus dinámicas moleculares. Esta tesis está mayoritariamente focalizada al estudio de azucares utilizando la combinación de la espectroscopia rotacional y los cálculos químico cuánticos. En la tesis se presentan varios estudios, partiendo del estudio de la eritrulosa en la que combinamos los datos obtenidos en el laboratorio con los datos de los radio-telescopios para su intento de detección en el medio interestelar y continuamos con varios estudios de azucares derivados de glucosa, galactosa y manosa. Nuestros resultados muestran como las pequeñas mutaciones en los azucares (deoxidaciones, lactonizaciones, oxidaciones¿) producen grandes cambios estructurales de la estructura intrínseca de los monosacáridos en fase gas. Por último, se presentan varios estudios de procesos químicos de relevante interés en la biología. Entre ellos la transferencia de protones en el dimero de ácido furoico y la micro-solvatación del metil benzoato. En general demostramos como la espectroscopia de rotación permite el estudio de las estructuras y de varios procesos de importancia en la biología.

Determining molecular conformations is fundamental to understanding the intricate relationship between the structure of a molecule and its physicochemical characteristics, such as energy, reactivity, and functionality. However, assessing the energy associated with a molecular conformation poses difficulties, especially in multi-conformational systems where each one can assume numerous energy minima. These flexible molecular systems involve a complex interplay of intramolecular forces competing for dominance. Cyclic molecules are of great scientific interest because they are a prime example of molecular flexibility and due to their vital roles in both chemistry and biology. As with any molecule relevant to biological processes, it is widely recognised that the structural arrangements adopted by these compounds directly influence their physico-chemical functions and characteristics. It is therefore of vital importance to elucidate the conformational preferences of these molecules by means of techniques capable of discerning between a wide variety of possible conformations. In this thesis it will be addressed the elucidation of the three-dimensional (3D) structure of diverse cyclic molecules and their water complexes, together with the characterisation of the weak interactions that may be responsible for the conformational preferences of these molecules and complexes, by means of rotational spectroscopy and computational calculations.