http://hdl.handle.net/10256/4386 2025-08-10T15:37:15Z http://hdl.handle.net/10256/27124 Rational design of tryptophan synthases through conformation and correlation-based allosteric networks Duran Rebenaque, Cristina ENG- Enzymes are remarkable biological catalysts that operate under mild conditions with high specificity and efficiency. The improvement of enzyme performance is often achieved through experimental methods like Directed Evolution (DE), which can produce highly efficient variants but is costly, time-consuming, and does not often provide an explanation of why certain mutations work better. Computational enzyme design is emerging as a powerful alternative, offering the ability to predict and rationalize the effects of mutations, although it is still developing compared to DE. This thesis focuses on understanding and improving the function of an enzyme complex called Tryptophan Synthase (TrpS), composed of two parts: TrpA and TrpB. These two parts regulate each other through long-range interactions known as allosteric effects, which significantly influence their activity and flexibility. When separated, each part is less efficient, but together they adopt highly active forms. Understanding these communication pathways is key to designing improved enzymes that are efficient even on their own. Advanced computational techniques such as Molecular Dynamics (MD) simulations, Density Functional Theory (DFT) calculations, and correlation-based tools like Shortest Path Map (SPM) were used to reveal how TrpS subunits communicate and change shape during the reaction. In one part of the thesis, TrpA and its natural blueprint ZmBX1 were studied to identify key flexible regions important for enzyme activity. Through rational design involving specific mutations and structural modifications, TrpA variants with much higher efficiency and reduced dependence on TrpB were created. The thesis also explores how TrpB alone can retain high activity by analyzing its dynamic behavior and predicting important mutations using a combination of SPM, AlphaFold2 models, and different force field choices. This work demonstrates how computational approaches can successfully guide the design of enzymes with enhanced properties. Overall, this thesis shows how a deeper understanding of enzyme dynamics and allosteric regulation, combined with powerful computational tools, can lead to the rational design of more efficient enzymes, offering a strong alternative to traditional experimental methods; CAT- Els enzims són catalitzadors biològics extraordinaris que operen en condicions suaus amb una alta especificitat i eficiència. La millora del rendiment dels enzims sovint s'aconsegueix mitjançant mètodes experimentals com l'Evolució Dirigida (ED), que pot produir variants molt eficients, tot i això és un procés molt costós, lent i que sovint no proporciona una explicació del per què certes mutacions fan funcionar millor l’enzim en qüestió. El disseny computacional d'enzims està emergint com una alternativa potent, ja que ofereix la possibilitat de predir i racionalitzar els efectes de les mutacions, tot i que encara està en desenvolupament respecte a l’ED. Aquesta tesi es centra en entendre i millorar el funcionament d'un complex enzimàtic anomenat Triptòfan Sintasa (TrpS), compost per dues parts: TrpA i TrpB. Aquestes dues parts es regulen mútuament a través d'interaccions de llarga distància conegudes com a efectes al·lostèrics, que influeixen significativament en la seva activitat i flexibilitat. Quan les dues subunitats estan separades, cada part és menys eficient, però juntes adopten estructures altament actives. Comprendre aquestes rutes de comunicació és clau per dissenyar enzims millorats que siguin eficients de manera independent. Al llarg de la tesi, s'han utilitzat tècniques computacionals avançades, com ara simulacions de Dinàmica Molecular (MD), càlculs de Teoria del Funcional de la Densitat (DFT) i eines de correlació com el Shortest Path Map (SPM), per revelar com les subunitats de TrpS es comuniquen i canvien de forma durant la reacció. En una part de la tesi, s'han estudiat la TrpA i la ZmBX1 per identificar regions flexibles clau importants per a l'activitat enzimàtica. Mitjançant un disseny racional que inclou mutacions específiques i modificacions estructurals, s'han creat variants de TrpA amb una eficiència molt superior i una dependència reduïda envers la TrpB. La tesi també explora com la TrpB pot mantenir una alta activitat de manera independent, analitzant el seu comportament dinàmic i preveient mutacions importants mitjançant una combinació d'SPM, models d'AlphaFold2 i diferent eleccions de camps de força. Aquest treball demostra com els enfocaments computacionals poden guiar amb èxit el disseny d'enzims amb propietats millorades. En conjunt, aquesta tesi mostra com una comprensió més profunda de la dinàmica enzimàtica i la regulació al·lostèrica, combinada amb potents eines computacionals, pot conduir al disseny racional d'enzims més eficients, oferint una alternativa sòlida als mètodes experimentals tradicionals 2025-06-12T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10256/27044 Polymer inclusion membranes for the separation, speciation and monitoring of inorganic pollutants in natural waters Alcalde Saña, Berta ENG- Polymer inclusion membranes (PIMs) are a type of functionalized membrane mainly composed of an extractant embedded in a polymeric matrix. These membranes are easy to prepare and are highly versatile, enabling the separation of a wide range of analytes. This thesis has focused on the development of PIMs for both environmental and analytical purposes. On the one hand, the membrane composition has been optimized to enable the removal of inorganic pollutants from natural waters or industrial effluents. On the other hand, the thesis has investigated the use of PIMs as sensors to both assess metal complexation in natural waters, and to be used as passive samplers for the evaluation of metal pollution in rivers. Moreover, in light of current global challenges, particular emphasis has been placed on integrating sustainability principles into the design of PIM-based systems. This includes exploring the use of cost-effective and non-toxic alternatives for PIMs manufacturing, as well as developing novel functionalized membranes with better stability to reduce the environmental impact. In a first stage, PIMs were prepared using commercial reagents, such as the extracting agent Aliquat 336, the plasticizer tributyl phosphate (TBP), and cellulose triacetate (CTA) as the base polymer. These PIMs were investigated for the removal of fluoride from natural waters. It was demonstrated that the addition of TBP enhanced the performance of the PIMs compared to other plasticizers. Furthermore, the developed PIMs proved effective in removing fluoride from natural water samples, reducing its concentration to levels that comply with World Health Organization standards. Moreover, the preparation of functionalized membranes with enhanced sustainability has been investigated. In one approach, the plasticizer butyl stearate (BTS) was explored, for the first time, as a component for PIMs, offering a more environmentally friendly and cost-effective alternative to common reagents. In this case, PIMs were prepared using the polymers CTA and polyvinyl chloride (PVC), incorporating a task-specific ionic liquid as an extractant specifically designed to extract Hg, and different plasticizers. The measured properties of the PIMs containing BTS, such as hydrophilicity and mechanical properties, and the transport efficiencies of CTA-based PIMs, were within the range of those of PIMs with the other plasticizers tested. Thus, given the low cost and minimal environmental impact of BTS, it is an attractive alternative to consider for manufacturing PIMs. Additionally, the possibility of using polymerizable ionic liquids (PILs) based on the imidazolium cation to produce stable membranes has been explored for the first time. The membrane containing the PIL 1-hexyl-3-(4-vinylbenzyl)-1H-imidazol-3-ium bis((trifluoromethyl)sulfonyl)amide was shown to effectively remove Cr(VI). The remarkable stability of the PIL-based membrane was demonstrated by its high reusability, with only a 15% decrease in the recovery efficiency after 18 cycles. Finally, this novel membrane was successfully employed for the recovery of Cr(VI) from industrial effluent waters, highlighting its potential to contribute to the development of a sustainable system for the removal and recovery of hexavalent chromium. To advance the analytical applications of PIMs, a membrane incorporating the extractant di(2-ethylhexyl)phosphoric acid has been proposed as both a tool for speciation studies of metal complexation and a passive sampler for metal monitoring. First, laboratory experiments demonstrated that the accumulation of Zn and Cu in the receiving phase of the PIM sensor depended on the concentration of free metal ions in the donor phase. Finally, the aforementioned PIM was investigated as a passive sampler for determining the time-weighted average (TWA) concentrations of free Zn in Catalan rivers. To achieve this, a novel calibration approach was described, based on kinetic studies conducted at the specific sampling point under investigation. The resulting calibration enabled the determination of TWA-free Zn concentrations in the Osor River. Furthermore, PIM-passive samplers were employed as a screening tool to detect Zn contamination in the waters of other Catalan rivers, revealing no evidence of pollution by this metal; CAT- Les membranes d'inclusió polimèriques (PIMs) són un tipus de membrana funcionalitzada composta principalment per un agent extractant incorporat en una matriu polimèrica. Aquestes membranes són fàcils de preparar i són altament versàtils, permetent la separació d'una àmplia gamma d'analits. Aquesta tesi s'ha centrat en el desenvolupament de PIMs tant per a finalitats ambientals com analítiques. D'una banda, s'ha optimitzat la composició de les membranes per permetre l'eliminació de contaminants inorgànics d'aigües naturals o efluents industrials. D'altra banda, la tesi ha investigat l'ús de PIMs com a sensors per estimar la complexació de metalls en aigües naturals i per ser utilitzades com a mostrejadors passius per a l'avaluació de la contaminació per metalls en rius. A més, tenint en compte els reptes globals actuals, s'ha posat un èmfasi particular en la integració dels principis de sostenibilitat en el disseny de sistemes basats en PIMs. Això inclou l'exploració de l'ús d'alternatives econòmiques i no tòxiques per a la fabricació de PIMs, així com el desenvolupament de noves membranes funcionalitzades amb una millor estabilitat per reduir l'impacte ambiental. En una primera fase, es van preparar PIMs utilitzant reactius comercials, com l'agent extractant Aliquat 336, el plastificant tributilfosfat (TBP) i el triacetat de cel·lulosa (CTA) com a polímer base. Aquestes PIMs es van investigar per a l'eliminació de fluorur de les aigües naturals. Es va demostrar que l'addició de TBP millorava el rendiment de les PIMs en comparació amb altres plastificants. A més, les PIMs desenvolupades van resultar efectives per eliminar el fluorur de mostres d'aigües naturals, reduint la seva concentració fins a nivells que compleixen amb els estàndards de l'Organització Mundial de la Salut. A més, s'ha investigat la preparació de membranes funcionalitzades amb una major sostenibilitat. En un enfocament, es va explorar, per primera vegada, el plastificant butil estearat (BTS) com a component per a PIMs, oferint una alternativa més respectuosa amb el medi ambient i econòmicament més assequible que els reactius comercials habituals. En aquest cas, es van preparar PIMs utilitzant els polímers CTA i clorur de polivinil (PVC), incorporant un líquid iònic específic per a l'extracció de Hg i diferents plastificants. Les propietats mesurades de les PIMs que contenien BTS, com la hidrofilicitat i les propietats mecàniques, i l'eficiència del transport de les PIMs basades en CTA, estaven dins del rang de les PIMs amb altres plastificants provats. Així, donat el baix cost i l'impacte ambiental mínim del BTS, aquest és una alternativa atractiva a considerar per a la fabricació de PIMs. A més, s'ha explorat, per primera vegada, la possibilitat d'utilitzar líquids iònics polimeritzables (PILs) basats en el catió imidazole per produir membranes estables. Es va demostrar que la membrana que contenia el PIL 1-hexil-3-(4-vinilbenzil)-1H-imidazol-3-ium bis((trifluorometilsulfonil)amida) era eficaç per eliminar Cr(VI). La notable estabilitat de la membrana basada en el PIL es va demostrar per la seva alta reutilització, amb només una disminució del 15% en l'eficiència de recuperació després de 18 cicles. Finalment, aquesta nova membrana es va utilitzar amb èxit per a la recuperació de Cr(VI) d'aigües d'efluents industrials, destacant el seu potencial per contribuir al desenvolupament d'un sistema sostenible per a l'eliminació i recuperació del crom hexavalent. Per avançar en les aplicacions analítiques de les PIMs, s'ha proposat una membrana que incorpora l'agent extractant àcid di(2-etilhexil)fosfòric com a eina tant per a estudis d’especiació de la complexació de metalls com per a un mostrejador passiu pel monitoratge de metalls. En primer lloc, els experiments de laboratori van demostrar que l'acumulació de Zn i Cu a la fase receptora del sensor PIM depenia de la concentració dels ions de metall lliure a la fase donadora. Finalment, la PIM esmentada es va investigar com a mostrejador passiu per determinar les concentracions mitjanes ponderades en el temps (TWA) de Zn lliure a rius catalans. Per aconseguir-ho, es va descriure un nou enfocament de calibratge, basat en estudis cinètics realitzats específicament al punt de mostreig investigat. La calibració resultant va permetre determinar les concentracions TWA de Zn lliure al riu Osor. A més, els mostrejadors passius basats en PIMs es van utilitzar com a eina de detecció per a la contaminació per Zn en altres rius catalans, revelant que no hi havia proves de contaminació per aquest metall 2025-05-16T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10256/27039 Innovative analytical methodologies based on ionic liquids to facilitate mercury determination in natural waters Elias Estañol, Gemma ENG- The investigation presented in this thesis is focused on the design of new analytical methodologies to allow Hg preconcentration using ionic liquids (IL) incorporated in functionalized membranes or impregnated onto solid sorbents. To carry out this investigation, two ILs, trioctylmethylammonium salicylate (TOMAS) and trioctylmethylammonium tiosalicylate (TOMATS), have been prepared and characterized, and effectively incorporated into polymeric inclusion membranes (PIMs) using cellulose triacetate (CTA) as the polymer. Their extraction capacity has been evaluated. Membranes prepared with TOMATS, which contains a thiol group in its chemical structure, have proven to be highly effective for Hg extraction in different natural waters, without showing matrix effect, and at low concentration levels. This has allowed the development of an analytical methodology using a PIM with TOMATS as a medium for Hg extraction and the subsequent analysis of the membrane by means of Energy Dispersive X-ray Fluorescence (EDXRF). It has been demonstrated that this methodology enables the analysis of water samples at levels required by Council Directive 98/83/EC. It is also worth noting that this investigation has demonstrated that Hg extracted in a PIM is conserved for a long time period. Thus, these membranes are presented as a suitable medium for the preservation of the metal, enabling it to be detected not on immediate analysis without affecting its quality. In addition, a new methodology has been designed with the PIM containing these ILs, consisting of the preconcentration of the metal present in water samples in a receiving phase of cysteine. This methodology has allowed the analysis of the sample by means of Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) and Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP-OES), which require aqueous samples. It has been observed that the incorporation of a plasticizer in the PIM composition is necessary in order to allow the transport of Hg to the receiving phase, and different studies on the effect of the plasticizer’s characteristics on transport efficiency have been carried out. These studies have demonstrated that plasticizers with characteristics as different as nitrophenyl octyl ether (NPOE) and dibutyl sebacate (DBS), lead to very efficient membranes. For the first time, a study on the possible biofilm growth onto a PIM surface made of CTA, TOMATS and NPOE has been performed. It has been proven that after seven days being soaked in a natural aquatic environment, the presence of biofilm was extremely scarce and the transport efficiency of the membrane was not affected. This fact is of paramount importance when designing Hg passive sampling systems; CAT- La investigació que es presenta en aquesta tesi es centra en el disseny de noves metodologies analítiques per permetre la preconcentració de Hg utilitzant líquids iònics (LI) incorporats a membranes funcionalitzades o impregnats en sorbents sòlids. Per dur a terme aquesta investigació s’han preparat i caracteritzat dos LI, el salicilat de trioctilmetil amoni (TOMAS) i el tiosalicilat de trioctilmetil amoni(TOMATS), els quals s’han incorporat de manera efectiva en membranes d’inclusió polimèrica (PIMs) utilitzant el polímer triacetat de cel•lulosa (CTA) i s’ha avaluat la seva capacitat d’extracció per Hg. Les membranes preparades amb TOMATS, que conté un grup tiol en la seva formulació, han mostrat ser molt efectives per l’extracció de Hg en diverses aigües naturals, sense efecte de la matriu, i a nivells baixos de concentració. Això ha permès desenvolupar una metodologia analítica utilitzant les PIM amb TOMATS com a medi d’extracció de Hg i realitzar el posterior anàlisi de la membrana per espectroscòpia d’ Energia Dispersiva de Fluorescència de Raigs-X (EDFXR). S’ha demostrat que aquesta metodologia permet realitzar anàlisi de mostres d’aigua als nivells requerits per la Directiva 98/83/EC. És de destacar també que fruit d’aquesta investigació s’ha demostrat que el Hg extret en una PIM es manté inalterat amb el pas dels temps. Per això, es presenten aquestes membranes com un medi adequat per a la preservació del metall, fet que pot permetre realitzar la seva detecció no de forma immediata sense que això afecti a la qualitat de l’anàlisi. Utilitzant també PIMs amb els LI s’ha dissenyat una metodologia que consisteix en una preconcentració del metall present en mostres d’aigua a una fase receptora de cisteïna. Aquesta metodologia permet l’anàlisi de la mostra amb tècniques d’Espectroscòpia de Masses per Plasma d’Acoblament Inductiu (ICP-MS) o d’espectroscòpia Òptica per Plasma d’Acoblament Inductiu (ICP-OES), les quals requereixes mostres aquoses. S’ha observat que la incorporació de plastificant a la PIM és necessària per tal de permetre el transport a la fase receptora, i s’han fet estudis sobre les característiques del plastificant incorporat a la PIM en l’eficiència de transport de Hg. Els estudis han demostrat que plastificants amb característiques ben diferents com són nitrofenil octil éter (NPOE) i dibutil sebacat (DBS) , donen lloc a membranes molt eficients. Per primera vegada s’ha realitzat un estudi sobre el possible creixement de biofilm a la superfície de les PIM preparades amb CTA, TOMATS i NPOE, i s’ha comprovat que en set dies d’estar submergida en un ambient aquàtic natural la presència de biofilm era molt escàs i que no afectava a l’eficiència de transport de la membrana. Aquest fet és de rellevància a l’hora de dissenyar sistemes de mostreig passiu per a Hg; This thesis was financially supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation through the national research projects CTA2013-48967-C2-2-P and CTM2016-78798-C2-2-P, and by the University of Girona through a predoctoral research fellowship (IFUdG2016) as well as a complementary fellowship for the mobility of researchers from UdG (MOB17) 2019-07-29T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10256/26918 Computational study and design of materials for photovoltaic applications George, Gibu ENG- The rapid evolution of photovoltaic technologies demands the precise design of materials with tailored properties to overcome performance bottlenecks and achieve high efficiency. This thesis presents a computational investigation into the properties and behavior of molecular systems and materials relevant to photovoltaic applications, with a focus on aromaticity, electronic structure, and defect passivation. By integrating quantum chemical methods and electronic structure analysis, this work explores the interplay between molecular stability, charge transfer dynamics, and defect engineering, offering a multifaceted perspective on material design for energy conversion technologies. The journey begins with indenofluorene (IF)-type systems, where a predictive rule for ground-state stability was established using Clar’s π-sextet theory. This Ground State Stability (GSS) rule provides a robust framework to determine whether IF derivatives favor open-shell singlet or triplet electronic configurations. By extending this approach to π-extended systems like fluorenofluorene and diindenoanthracene, the study demonstrates how molecular aromaticity influences electronic stability and biradical character—essential properties for charge transport in organic photovoltaics. Transitioning from linear to cyclic systems, the thesis investigates carbon nanohoops and their host–guest interactions with fullerenes. Distinct differences between aromatic ([4]DHPP) and antiaromatic ([4]PP) nanohoops reveal how their electronic structures govern charge transfer dynamics, with antiaromatic systems exhibiting ultrafast electron transfer from fullerene to the nanohoop. The effect of stereoisomerism on electronic properties adds another layer of control, showcasing how molecular topology can fine-tune photovoltaic performance. These findings highlight the synergy between molecular design and charge carrier dynamics in organic photovoltaic devices. Finally, the study extends to hybrid perovskites, addressing a key bottleneck: surface defects. Through detailed simulations, the adsorption of fullerenes (C60 and PCBM) on CsPbI3 surfaces was shown to mitigate the detrimental effects of iodine antisite defects, which create trap states. Fullerenes drive surface reconstructions, eliminating these defects, enhancing charge carrier lifetimes, and stabilizing the perovskite interface. These results bridge molecular-scale design with device-scale improvements, illustrating the complementary role of organic and hybrid materials in solar energy conversion. Through the lens of computational analysis, this thesis establishes a cohesive understanding of how molecular and surface-level properties interact to influence material performance in photovoltaic systems. By bridging concepts of aromaticity, charge transfer, and defect passivation, the work provides guiding principles for the rational design of advanced materials, paving the way for improved energy conversion technologies; CAT- La ràpida evolució de les tecnologies fotovoltaiques exigeix el disseny precis de materials amb propietats a mida per superar els colls d’ampolla de rendiment i aconseguir una alta eficiència. Aquesta tesi presenta una investigació computacional sobre les propietats i el comportament de sistemes moleculars i materials rellevants per a aplicacions fotovoltaiques, amb un focus en l’aromaticitat, l’estructura electrònica i la passivació de defectes. Mitjançant la integració de mètodes químics quàntics i l’anàlisi d’estructura electrònica, aquest treball explora la interacció entre l’estabilitat molecular, la dinàmica de transferència de càrrega i l’enginyeria de defectes, oferint una perspectiva multifacètica sobre el disseny de materials per a tecnologies de conversió d’energia. El viatge comença amb sistemes basats en l’indenofluorè (IF), on s’ha establert una regla predictiva per a l’estabilitat de l’estat fonamental mitjançant la teoria del sextet π de Clar. Aquesta regla d’estabilitat de l’estat fonamental (GSS) proporciona un marc sòlid per determinar si els derivats d’IF afavoreixen les configuracions electròniques de singlet o triplet de capa oberta. En estendre aquest enfocament a sistemes π-estès com el fluorenofluorè i el diindenoantracè, l’estudi demostra com l’aromaticitat molecular influeix en l’estabilitat electrònica i el caràcter birradical, propietats essencials per al transport de càrrega en fotovoltaica orgànica. En transició de sistemes lineals a cíclics, la tesi investiga els nanocèrcols de carboni i les seves interaccions anfitrió-hoste amb ful·lerens. Les diferents diferències entre els nanocèrcols aromàtics ([4]DHPP) i antiaromàtics ([4]PP) revelen com les seves estructures electròniques regeixen la dinàmica de transferència de càrrega, amb sistemes antiaromàtics que presenten una transferència d’electrons ultraràpida des del ful·lerè al nanocercle. L’efecte de l’estereoisomerisme sobre les propietats electròniques afegeix una altra possibilitat de control, mostrant com la topologia molecular pot afinar el rendiment fotovoltaic. Aquestes troballes posen de manifest la sinergia entre el disseny molecular i la dinàmica del portador de càrrega en dispositius fotovoltaics orgànics. Finalment, l’estudi s’estén a les perovskites híbrides, abordant un colld’ampolla clau: els defectes superficials. Mitjançant simulacions detallades, es demostra que l’adsorció de ful·lerens (C60 i PCBM) a les superficies de CsPbI3 mitiga els efectes perjudicials dels defectes de l’antilloc de iode, que creen estats de trampa. Els ful·lerens condueixen a reconstruccions superficials, eliminant aquests defectes, millorant la vida útil dels portadors de càrrega i estabilitzant la interfície de perovskita. Aquests resultats uneixen el disseny a escala molecular amb millores a escala del dispositiu, il·lustrant el paper complementari dels materials orgànics i híbrids en la conversió d’energia solar. A través de la lent de l’anàlisi computacional, aquesta tesi estableix una comprensió cohesionada de com interactuen les propietats moleculars i superficials per influir en el rendiment dels materials en sistemes fotovoltaics. En unir els conceptes d’aromaticitat, transferència de càrrega i passivació de defectes, el treball proporciona principis rectors per al disseny racional de materials avançats, obrint el camí per a tecnologies de conversió d’energia millorades 2025-04-25T00:00:00Z