Aprèn - Emilio José Gualda Manzano

Aquest Treball de Final de Grau es centra en l'anàlisi de les repercussions del biofouling sobre les estructures ubicades a l'oceà Atlàntic Nord. El biofouling, o incrustació biològica, es defineix com l'acumulació de microorganismes, plantes i animals marins sobre superfícies submergides, fenomen que pot tenir un impacte significatiu en la funcionalitat i integritat d'aquestes estructures. L'objectiu principal d'aquest estudi és explorar les conseqüències del biofouling des d'una perspectiva teòrica, analitzant els danys materials, l'afectació al rendiment i les necessitats de manteniment que comporta aquest procés. A través d'una anàlisi bibliogràfic, s'investigarà com l'efecte del biofouling varia en funció del tipus d'estructura afectada i de l'espècie de microorganisme implicada en la incrustació. A més, el treball presenta una sèrie d'estratègies destinades a mitigar els efectes negatius del biofouling. Aquestes estratègies han de ser dissenyades tenint en compte tant la viabilitat econòmica com l'impacte ambiental, amb l'objectiu de proporcionar solucions sostenibles i eficaces per a la prevenció i gestió d'aquest fenomen en les estructures marines. La importància d'aquest estudi recau en la necessitat de comprendre millor el biofouling, un desafiament persistent per a les operacions marines, especialment en àrees com l'Atlàntic Nord on les condicions ambientals poden afavorir el ràpid desenvolupament d'aquestes comunitats biològiques. L'anàlisi realitzat en aquest treball presenta eines pràctiques per a enginyers, biòlegs i gestors de projectes marins, facilitant així el desenvolupament de mètodes més eficients per a la lluita contra aquest fenomen.

Este Trabajo de Final de Grado se centra en las repercusiones del biofouling sobre las estructuras ubicadas en el océano Atlántico. El biofouling, o incrustación biológica, se define como la acumulación de organismos, plantas y animales marinos sobre superficies sumergidas, fenómeno que puede tener impactos significativos en la funcionalidad e integridad de estas estructuras. El objetivo principal de este estudio es explorar las consecuencias del biofouling des de una perspectiva teórica, analizando los daños materiales, la afectación del rendimiento y las necesidades de mantenimiento que comporta este proceso. A través de un análisis bibliográfico, se investigará como el efecto del biofouling varía en función del tipo de estructura afectada y de la especie de microrganismo implicado en la incrustación. Además, el trabajo presenta una serie de estrategias destinadas a mitigar los efectos negativos del biofouling. Estas estrategias tienen que ser diseñadas teniendo en cuenta tanto la variabilidad económica, como el impacto ambiental, con el objetivo de proporcionar soluciones sostenibles y eficaces para la prevención y gestión de este fenómeno en las estructuras marinas. La importancia de este estudio recae en la necesidad de comprender mejor la incrustación biológica, un desafío persistente en las operaciones marinas, especialmente en áreas como el Atlántico Norte, donde las condiciones ambientales pueden favorecer el rápido crecimiento de estas comunidades biológicas. El análisis realizado en este trabajo presenta herramientas prácticas para ingenieros, biólogos y gestores de proyectos marinos, facilitando el desarrollo de métodos más eficaces contra este fenómeno.

This final degree project focuses on the analysis of the repercussions of biofouling on structures located in the North Atlantic Ocean. Biofouling, or biological fouling, is defined as the accumulation of marine microorganisms, plants, and animals on submerged surfaces, a situation that may have significant impacts on the functionality and integrity of these structures. The main objective of this study is to explore the consequences of biofouling from a theoretical perspective, as well as the material damage, performance impact, and maintenance needs associated with this process. Through a literature review, it will be investigated how the effect of biofouling varies depending on the type of structure affected and the species of microorganisms involved in the process of incrustation. In addition, the paper presents a series of strategies aimed at mitigating the negative effects of biofouling. These strategies must be designed to take into account both economic feasibility and environmental impact in order to provide sustainable and effective solutions for the prevention and management of this phenomenon in marine structures. The importance of this study lies in the need to better understand biofouling, a persistent challenge for marine operations, especially in areas such as the North Atlantic where environmental conditions can favour the rapid development of these biological communities. The results of the analysis carried out in this work not only contribute to the existing academic corpus on biofouling but also provide practical tools for engineers, biologists, and marine project managers, thus facilitating the development of more efficient methods for combating this phenomenon.

Desarrollo y análisis comparativo de un microscopio Open Flexure

Bachelor thesis

Farrés García, Oscar

Tutor / Supervisor: Gualda Manzano, Emilio José

Publication date: 2023

Barcelona School of Agri-Food and Biosystems Engineering (EEABB)

View detail Access to the full text

Microscopes have been an essential tool for scientific research for many years, although the high cost of microscopes and the difficult access to spare parts or accessories make them unavailable to a large part of the scientific community and students starting in science, especially in developing countries. In this context, a wide variety of low-cost open-source microscopes have been developed using 3D printing and robotizing them with free hardware microcontrollers such as Arduino or Raspberry Pi. In this final degree work I have built a microscope based on the OpenFlexure platform studying its possibilities in university research and training by making comparisons with conventional optical microscopes of the EEABB through the visualization of a variety of samples provided by different members of the Department of Agri-Food Engineering and Biotechnology (DEAB). Obtaining quite satisfactory results, certain shortcomings have been detected in terms of image quality, operability, difficulty of assembly and higher than expected price. Even so, it satisfactorily fulfills most of the functions attributed to a microscope, and at a much lower cost than conventional microscopes.

Des de fa molts anys els microscopis són una eina essencial per a la investigació científica, encara que el seu cost elevat i el difícil accés a recanvis o accessoris fa que no estiguin disponibles per a gran part de la comunitat científica i dels estudiants que s'inicien a la ciència, especialment a països en vies de desenvolupament. En aquest context s'han desenvolupat una gran varietat de microscopis de baix cost de codi lliure utilitzant impressió 3D i robotitzant-los amb microcontroladors de maquinari lliure com Arduino o Raspberry Pi. En aquest treball de fi de grau he construït un microscopi basat en la plataforma OpenFlexure estudiant les seves possibilitats en investigació i formació universitària fent comparacions amb els microscopis òptics convencionals de l'EEABB a través de la visualització d'una gran varietat de mostres proporcionades per diferents membres del Departament d'Enginyeria Agroalimentària i Biotecnologia (DEAB). Obtenint uns resultats força satisfactoris, tot i que s'han detectat certes mancances quant a qualitat d'imatge, operabilitat, la dificultat de muntatge i preu més elevat del que s'esperava, compleix satisfactòriament la majoria de les funcions que se li atribueixen a un microscopi i, a un cost molt més baix en comparació amb els microscopis convencionals.

Desde hace muchos años los microscopios son una herramienta esencial para la investigación científica, aunque el coste elevado de los mismos y el difícil acceso a recambios o accesorios hace que no estén disponibles para gran parte de la comunidad científica y de los estudiantes que se inician en la ciencia, especialmente en países en vías de desarrollo. En este contexto se han desarrollado una gran variedad de microscopios de bajo coste de código libre utilizando impresión 3D y robotizándolos con microcontroladores de hardware libre como Arduino o Raspberry Pi. En este trabajo de fin de grado he construido un microscopio basado en la plataforma OpenFlexure estudiando sus posibilidades en investigación universitaria y de formación haciendo comparaciones con los microscopios ópticos convencionales de la EEABB a través de la visualización de una gran variedad de muestras proporcionadas por diferentes miembros del Departamento de Ingeniería Agroalimentaria y Biotecnología (DEAB). Obteniendo unos resultados bastante satisfactorios, se han detectado ciertas carencias en cuanto a calidad de imagen, operabilidad, la dificultad de montaje y precio más elevado de lo esperado. Aun así, cumple satisfactoriamente la mayoría de las funciones que se le atribuyen a un microscopio, y a un coste mucho más inferior en comparación con los microscopios convencionales.

BIOLOGIA GENERAL: BiE Plantas: Módulo VI

Lecture notes

Gualda Manzano, Emilio José

Publication date: 2023

Barcelona School of Civil Engineering (ETSECCPB)

BIOLOGY AND ECOLOGY - 2500200

Access to the full text

Optimització computacional de proteïnes dissenyades de novo

Bachelor thesis

Montesinos Estrada, Javier

Tutor / Supervisor: Gualda Manzano, Emilio José; Marcos Benteo, Enrique

Publication date: 2022

Barcelona School of Agri-Food and Biosystems Engineering (EEABB)

View detail Access to the full text

The computational de novo protein design has taken a drastic upswing due to the accessibility of new procedures such as the ones given by Artificial Intelligence (AI). This method not only helps with the prediction and comprehension of the geometry of the proteins but opens the door to new personalised biomedical and biological engineered-drugs. In this thesis I aim to adapt a script to test the possibility for optimising a design of a protein previously checked experimentally. Specifically, dIG14, a design of an immunoglobulin-like (Ig) ß-sandwich scaffold without compromising its conformation and investigating the broad range response given by this AI method. This approach tries to enhance the solubility of the Ig surface and the reconstruction of its structure analysed with the prediction-by-sequence techniques. The outcome is restricted and validated into certain values of protein computational analysis (RMSD or pLDDT) and is further pursued by structure prediction techniques leading to a few possible models remarking the reduction of hydrophobicity and dimerization. I finally obtained 14 different sequences capable of providing better stability fulfilling all the previous requirements. The results show a clear representation of the versatility of these new methods and the possibility of utilising this programme for the optimization of determined regions of proteins.

El disseny computacional de proteïnes de novo ha patit un auge a causa de l'accessibilitat de nous procediments com els subministrats per la Intel·ligència Artificial (IA). Aquest mètode no només ajuda a la predicció i comprensió de la geometria de les proteïnes sinó que també obre la porta a possibles i personalitzats fàrmacs tractats amb biomedicina o bioenginyeria. En aquest treball es té com a objectiu l'adaptació d'un codi informàtic per a comprovar la possibilitat d'optimitzar un disseny d'una proteïna que ha sigut anteriorment analitzada experimentalment. Específicament, optimitzar la dIG14, un disseny amb una estructura d'immunoglobulina (Ig) ß-sandwich sense comprometre la conformació i investigant l'ampli rang de respostes facilitats pel mètode IA. Aquest enfocament pretendria augmentar la solubilitat de la superfície de la Ig i la reconstrucció de l'estructura que serà posteriorment analitzada amb tècniques de predicció per seqüència. Els resultats són, llavors, restringits i validats amb uns determinats valors d¿anàlisi computacional de proteïnes (RMSD i pLDDT) i són examinats conduint a possibles models amb una reducció d'hidrofobicitat i de dimerització en la superfície. Ulteriorment, he obtingut 14 seqüències no redundants amb capacitat de proporcionar una major estabilitat complint amb tots els requisits prèviament mencionats. Els resultats demostren una clara representació de la versatilitat d'aquest nou mètode i la possibilitat d'ús per l'optimització de determinades regions de proteïnes.

El diseño computacional de proteínas de novo ha sufrido un auge debido a la accesibilidad de nuevos procedimientos como los suministrados por la Inteligencia Artificial (IA). Este método no solo ayuda a la predicción y comprensión de la geometría de las proteínas, sino que también abre la puerta a posibles y personalizados fármacos tratados con biomedicina o bioingeniería. En este trabajo se tiene como objetivo adaptar un código informático para comprobar la posibilidad de optimizar un diseño de una proteína que ha sido anteriormente analizada experimentalmente. Específicamente, optimizar la dIG14, un diseño con estructura inmunoglobulina (Ig) ß-sandwich sin comprometer su conformación e investigando el amplio rango de respuestas facilitado por el método de IA. Este enfoque intenta aumentar la solubilidad de la superficie de la Ig y la reconstrucción de la estructura que será posteriormente analizada con técnicas de predicción por secuencia. El resultado es, entonces, restringido y validado con unos determinados valores de análisis computacional de proteínas (RMSD y pLDDT) y son examinados con técnicas de predicción estructural, conduciendo a posibles modelos con una reducción de hidrofobicidad y de dimerización en la superficie. Ulteriormente, he obtenido 14 secuencias no redundantes capaces de proporcionar una mayor estabilidad, cumpliendo con todos los previos requerimientos mencionados. Los resultados demuestran una clara representación de la versatilidad de este nuevo método y la posibilidad de uso para la optimización de determinadas regiones de proteínas.

Development of microscopic techniques for the visualization of root-knot nematode infection

Master thesis

Vernet Pérez, Helena

Tutor / Supervisor: Gualda Manzano, Emilio José

Publication date: 2021

Barcelona School of Agri-Food and Biosystems Engineering (EEABB)

View detail Access to the full text

Plant-parasitic nematodes are a significant cause of yield losses and food security issues. Specifically, nematodes of the genus Meloidogyne can cause significant production losses in horticultural crops around the world. Therefore, understanding the mechanisms of the ever-changing physiology of plant roots by imaging the galls induced by nematodes could provide a great insight into this. However, infected roots are unsuitable for light microscopy investigation due to the opacity of plant tissues. Thus, samples must be cleared to visualize the interior of whole plants in order to make them transparent using clearing agents. Once cleared, there are several microscopy techniques for 3D imaging of thick biological samples. For many years, the gold standard of 3D microscopy has been confocal microscopy, however, it produces bleaching and ends up photodamaging the samples. For that reason, the purpose of this document is to assess possible alternatives for 3D imaging, such as light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) and optical projection tomography (OPT). LSFM consists of a light sheet generated by a laser while the specimen is scanned by moving the specimen in relation to a static light sheet to produce optical sections through the sample. Instead, OPT consists of acquiring a series of 2D projections from different angles, and then the 3D structure is generated as a stack of cross-sectional image slices using a reconstruction algorithm. The main objective of this project is to find out which microscopy system is the most appropriate to obtain 3D images of samples infected with Meloidogyne incognita to visualize and study the root-nematode interaction. In addition to fine-tuning clarification protocols to facilitate deep-tissue imaging of intact roots plants in order to visualize the degree of RKN infection. The samples provided for this study were tomato cv. Durinta and eggplant cv. Cristal inoculated with Meloidogyne incognita. To determine whether reducing differences in refractive indices within the tissue and removing coloured tissue components improves the optical transparency of biological samples, the clearing solutions tested have been BABB, ECi, and TDE. The effect of different dehydration solvents (ethanol, methanol, and 1-propanol) has also been investigated. In addition, the advantages and disadvantages of alternative microscopic techniques to confocal have been analysed employing an experimental setup that combines three microscopic techniques (LSFM, brightfield OPT, and fluorescence OPT) has been employed. On one hand, the results show that the proposed protocol that uses 1-propanol as a dehydration agent and ECi as a RI-matching reagent is the most suitable for imaging tomato roots. However, for imaging eggplant roots, the most favourable combination is ethanol-BABB. On the other hand, imaging results show that both microscopy techniques (LSFM and OPT) enable the observation of roots infected with M. incognita. However, LSFM is preferred for higher resolution images, while OPT is suitable for faster acquisition as a complementary technique.

Els nematodes paràsits de les plantes són una causa important de pèrdues de rendiment i de problemes en la seguretat alimentària. Més concretament, els nematodes del gènere Meloidogyne poden provocar pèrdues importants en la producció de cultius hortícoles de tot el món. Per tant, entendre els mecanismes de la fisiologia canviant de les arrels de les plantes mitjançant l¿obtenció d¿imatge de les agalles induïdes pels nematodes podria proporcionar una gran visió del problema. Tot i això, les arrels infectades no són adequades per a la investigació en microscòpia òptica a causa de l'opacitat dels teixits vegetals. Per això, és necessari clarificar les mostres mitjançant agents de clarificació per tal de fer-les transparents i poder visualitzar l'interior de plantes senceres. Un cop clarificades, existeixen diverses tècniques de microscòpia per a l¿obtenció d¿imatge en 3D de mostres biològiques gruixudes. Durant molts anys, la tècnica estàndard en la microscòpia en 3D ha estat la microscòpia confocal, però aquesta produeix blanqueig i acaba foto-danyant les mostres. Per aquest motiu, el propòsit d'aquest treball és avaluar possibles alternatives per a l¿obtenció d'imatges en 3D, com la microscòpia de fluorescència de fulla de llum (LSFM) i la tomografia de projecció òptica (OPT). La LSFM consisteix en una làmina de llum estàtica generada per un làser mentre la mostra s'escaneja movent-la en relació amb la làmina de llum per produir seccions òptiques a través de la mostra. En canvi, l¿OPT consisteix a adquirir una sèrie de projeccions 2D des de diferents angles, per després generar l¿estructura en 3D amb un algoritme de reconstrucció com una pila de talls d'imatges en secció transversal. L'objectiu principal d'aquest projecte és determinar quin sistema de microscòpia és el més adequat per obtenir imatges en 3D de mostres infectades amb Meloidogyne incognita per poder visualitzar i estudiar la interacció arrel-nematode. A més d¿afinar els protocols de clarificació per facilitar l¿obtenció d¿imatges de teixits d¿arrels intactes i visualitzar el grau d'infecció de nematodes paràsits de les plantes. Les mostres proporcionades per a aquest estudi van ser tomàquet cv. Durinta i albergínia cv. Cristal inoculades amb Meloidogyne incognita. Per tal de determinar si reduir les diferències dels índexs de refracció i eliminar components pigmentats del teixit millora la transparència òptica de les mostres biològiques, s¿han estudiat les següents solucions de clarificació: BABB, ECi i TDE. També s'ha investigat l'efecte de diferents dissolvents de deshidratació: etanol, metanol i 1-propanol. A més a més, s'ha analitzat els avantatges i desavantatges de les tècniques microscòpiques alternatives a la microscòpia confocal emprant una configuració experimental que combina tres tècniques microscòpiques: LSFM, OPT de camp clar i OPT de fluorescència. D'una banda, els resultats mostren que el protocol que utilitza 1-propanol com a agent de deshidratació i ECi com a reactiu clarificant és el més adequat per a l¿obtenció d'imatges d'arrels de tomàquet. Tot i això, per a l¿obtenció d'imatges d'arrels d'albergínia, la combinació més favorable és etanol-BABB. D'altra banda, els resultats mostren que les dues tècniques de microscòpia (LSFM i OPT) permeten l'observació d'arrels infectades amb M. incognita. No obstant això, LSFM és preferible per a l¿adquisició d¿imatges amb una major resolució, mentre que OPT és adequat com a tècnica complementària per a una adquisició més ràpida.

Los nematodos parásitos de las plantas son una causa importante de pérdidas de rendimiento y de problemas en la seguridad alimentaria. Más concretamente, los nematodos del género Meloidogyne pueden provocar pérdidas importantes en la producción de cultivos hortícolas de todo el mundo. Por lo tanto, entender los mecanismos de la fisiología cambiante de las raíces de las plantas mediante la obtención de imagen de las agallas inducidas por los nematodos podría proporcionar una gran visión del problema. Sin embargo, las raíces infectadas no son adecuadas para la investigación en microscopía óptica debido a la opacidad de los tejidos vegetales. Por ello, es necesario clarificar las muestras mediante agentes de clarificación a fin de hacerlas transparentes y poder visualizar el interior de plantas enteras. Una vez clarificadas, existen diversas técnicas de microscopía para la obtención de imagen en 3D de muestras biológicas gruesas. Durante muchos años, la técnica estándar en la microscopía en 3D ha sido la microscopía confocal, pero esta produce blanqueo y termina foto-dañando las muestras. Por este motivo, el propósito de este trabajo es evaluar posibles alternativas para la obtención de imágenes en 3D, como la microscopía de fluorescencia de hoja de luz (LSFM) y la tomografía de proyección óptica (OPT). La LSFM consiste en una lámina de luz estática generada por un láser mientras la muestra se escanea moviéndola en relación con la lámina de luz para producir secciones ópticas a través de la muestra. En cambio, la OPT consiste en adquirir una serie de proyecciones 2D desde diferentes ángulos, para después generar la estructura en 3D con un algoritmo de reconstrucción como una pila de cortes de imágenes en sección transversal. El objetivo principal de este proyecto es determinar qué sistema de microscopía es el más adecuado para obtener imágenes en 3D de muestras infectadas con Meloidogyne incognita para poder visualizar y estudiar la interacción raíz-nematodo. Además de afinar los protocolos de clarificación para facilitar la obtención de imágenes de tejidos de raíces intactas y visualizar el grado de infección de nematodos parásitos de plantas. Las muestras proporcionadas para este estudio fueron tomate cv. Durinta y berenjena cv. Cristal inoculadas con Meloidogyne incognita. Con el fin de determinar si reducir las diferencias de los índices de refracción y eliminar componentes pigmentados del tejido mejora la transparencia óptica de las muestras biológicas, se han estudiado las siguientes soluciones de clarificación: BABB, ECi y TDE. También se ha investigado el efecto de diferentes disolventes de deshidratación: etanol, metanol y 1-propanol. Además, se han analizado las ventajas y desventajas de las técnicas microscópicas alternativas a la microscopía confocal utilizando una configuración experimental que combina tres técnicas microscópicas: LSFM, OPT de campo claro y OPT de fluorescencia. Por un lado, los resultados muestran que el protocolo que utiliza 1-propanol como agente de deshidratación y ECi como reactivo para clarificar es el más adecuado para la obtención de imágenes de raíces de tomate. Sin embargo, para la obtención de imágenes de raíces de berenjena, la combinación más favorable es etanol-BABB. Por otra parte, los resultados muestran que ambas técnicas de microscopía (LSFM y OPT) permiten la observación de raíces infectadas con M. incognita. Sin embargo, LSFM es preferible para la adquisición de imágenes con una resolución mayor, mientras que OPT es adecuado como técnica complementaria para una adquisición más rápida.