Doctorado en Ingeniería y Ciencias Aplicadas

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Browsing Doctorado en Ingeniería y Ciencias Aplicadas by Author "Jaramillo Botero, Andrés"

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    Electrochemical non-invasive biosensors for humans and plants health monitoring
    (Pontificia Universidad Javeriana Cali, 2023) Perdomo Ospino, Sammy Alejandro; Jaramillo Botero, Andrés
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    In Silico Design of Tweezer-like Molecules for the Specific Detection of Sucrose at Ultra Low Concentration
    (Pontificia Universidad Javeriana Cali, 2025) Lara Cruz, Gustavo Adolfo; Jaramillo Botero, Andrés
    La cuantificación de Sacarosa (Suc) en condiciones reales de cultivo es crucial para el mejoramiento de plantas con mayor resiliencia a estreses bióticos y abióticos, especialmente en el contexto actuald de cambio climático. Muchos de los mecanismos de la sacarosa como molécula de señalizadora son desconocidos debido, en parte, a las limitaciones de los métodos actuales de cuantificación de sacarosa que alteran lo procesos biológicos de la planta durante la medición, y carecen de la resolución espaciotemporal necesaria para monitorear los niveles de sacarosa en diferentes tejidos vegetales. En consecuencia, establecer correlaciones entre las concentraciones de sacarosa y las respuestas metabólicas de la planta en condiciones de estrés sigue, siendo un problema abierto. Las moléculas tipo pinza basadas en ácidos diarilborónicos (ADB) presentan un alto potencial para el desarrollo de sensores para la cuantificación selectiva de la sacarosa en condiciones in vivo. Las pinzas de ADB reaccionan de manera reversible con carbohidratos, los productos de la reacción se pueden detectar utilizando transistores de efecto de campo, electroquímica, espectroscopia o técnicas de espectrofotometría, con un alto potencial para ser utilizados en pequeños dispositivos portátiles para mediciones de sacarosa en el campo. Las pinzas de ADB han demostrado su capacidad para la cuantificación selectiva de glucosa en condiciones in vivo. Sin embargo, actualmente no existe una metodología clara y sistemática para adaptar las pinzas de ADB a la detección selectiva de sacarosa, y el diseño de pinzas de ADB selectivas para carbohidratos específicos en ocasiones es producto de la serendipia. En este trabajo, abordamos el problema de la cuantificación selectiva de sacarosa en condiciones in vivo mediante el desarrollo de nuevos pinza moleculares de ADB para la reacción específica con sacarosa. Nuestro proceso de diseño empleó una estrategia de diseño inverso apoyada en cálculos de química cuántica para: (i) dilucidar la reactividad de la sacarosa con aDBs en medios acuosos, (ii) diseñar pinzas de ADB con la distancia y orientación precisa de los grupos borónicos para la unión selectiva de la sacarosa, e (iii) identificar las pinzas de ADB con mejores prestaciones, y sintéticamente accesibles, para la reacción con la sacarosa en condiciones fisiológicas. Se propuso un plan de síntesis para una de las pinzas ADB de mejores prestaciones, identificadas a través del diseño computacional. También, se planteó un esquema detallado para la implementacion experimental de las pinza de ADB diseñadas y su empleo para la cuantificación de la sacarosa. Nuestros resultados muestran que la reacción de ácidos arilborónicos (AaB) (ácido fenilborónico (AFB) y benzoxaborol (BOB)) con los grupos hidroxilo en las posiciones 1’,3’- y 4,6- de la sacarosa, producen complejos estables AaB−1−Suc−AaB−1 , caracterizados por anillos de seis miembros en una conformación de silla. La exploración de la superficie de energía potencial y cálculos de barreras de reaccción, indican que en condiciones de pH > pKa,AFB, el AFB−1 reacciona espontáneamente con la sacarosa en una escala de tiempo de minutos a horas. Los productos resultantes AaB−1−Suc−AaB−1 se emplearon como plantillas para el diseño inverso de pinzas de ADB, produciendo 1361 moléculas para la plantilla AFB−1 (S)−Suc−AFB−1 (S), donde “S” denota quiralidad del átomo de boro. Sin embargo, debido a la rigidez de las moléculas de BOB, no fue posible encontrar un fragmento molecular para que completa las pinzas ADB usando la plantilla BOB−1−Suc− BOB−1 . Por lo tanto, el proceso de diseño de pinzas de ADB continuó solo con moléculas de AFB. Se desarrolló un protocolo computacional semi-automático, para calcular las energías libres de reacción para las pinzas de ADB con carbohidratos. La validación del protocolo se realizó con datos experimentales para las reacciones de pinzas de ADB con glucosa y galactosa demostró una excelente exactitud (error absoluto medio de 2.2 kcal/mol) y precisión (2.4 kcal/mol), cerca del límite de la exactitud química. Esto permitió la selección de pinzas de ADB que reaccionan espontáneamente con sacarosa en medios acuosos en condiciones estándar. El proceso de diseño continuó mediante una optimización multiobjetivo basado en un algorítmo genético para la modificación de grafos moleculares (AG-GM), considerando la energía libre de para la reacción de pinzas de ADB con sacarosa, la solubilidad en agua, las constantes de acidez máxima de los fragmentos AaB, y un puntuje de la accesibilidad sintética (AS) de la pinza de ADB. La optimización multi-objetivo permitió el diseño de pinzas de ADB con un propiedades óptimas para la detección de sacarosa en condiciones fisiológicas, controlando al mismo tiempo la complejidad sintética de las pinzas diseñadas. Debido al alto costo computacional para calcular energías libres de reacción, la optimización multi-objetivo AG-GM se realizó utilizando un conjunto representativo de 32 pinzas de ADB. A partir de los resultados de nuestro diseño computacional, propusimos la síntesis de la pinza 1,5-bis(3- boronofenil)fenantreno como molécula de prueba para explorar la ruta de síntesis de una de las pinzas de nuestro diseño computacional. Aunque la síntesis de la molécula de prueba no se completó, la síntesis exitosa del 1,5-bis(3-metoxifenil)fenantreno nos permitió optimizar las condiciones de reacción para ensamblar la estructura atómica requerida para la molécula piloto. Sin embargo, se necesitan mejoras en la regioselectividad durante la síntesis de 1,5-diclorofenantreno en la etapa inicial del plan de síntesis. El plan de síntesis de la pinza 1,5-bis(3-boronofenil)fenantreno ofrece una vía para sintetizar el 1,5-bis(3- boronofenil)-8-aminofenantreno, que a su vez permite la funcionalización de electrodos de carbono impresos (ECI) a través de un protocolo de biofuncionalización utilizado en nuestro grupo. Este protocolo consiste en la funcionalización del electrodo de trabajo (ET) del ECI mediante ácido para-aminobenzóico (APAB), seguido de la activación del grupo carboxilo del APAB para formar un enlace peptídico con el 1,5- bis(3-boronofenil)-8-aminofenantreno. El progreso de la funcionalización se puede monitorear a través de caracterización electroquímica y microscopía de fuerza atómica, y los cambios de capacitancia en el ET debido a la formación del complejo pinza-sacarosa, pueden ser utilizados para cuantificar las concentraciones de sacarosa. Los sensores basados en moléculas tipo pinza de ADB diseñadas para la cuantificación de sacarosa, tienen un potencial significativo para el monitoreo continuo de los niveles de sacarosa in vivo o en soluciones fisiológicas. Esto generará información valiosa sobre el papel de la sacarosa como molécula de señalización, particularmente en condiciones de estrés biótico o abiótico. Este trabajo es base para el desarrollo de sensores de sacarosa en tiempo real para aplicaciones agrícolas y de otro tipo, lo que permite avances en la ciencia vegetal, como correlaciones genotipo-fenotipo, identificación de vías de señalización y mecanismos de respuesta al estrés, mejorando así las estrategias de mejoramiento de cultivos para la productividad sostenible y la seguridad alimentaria. Además, el marco de diseño computacional desarrollado aquí se puede adaptar sin problemas para el diseño de pinzas de ADB para otros monosacáridos y disacáridos, allanando el camino para mediciones simultáneas de carbohidratos in vivo, un paso crucial hacia la comprensión de las redes metabólicas que involucran carbohidratos en organismos vivos.
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    An in silico study of the GCR1 role, mediated by Gibberellin GA1 and Abscisic Acid, to regulate GP in plant cells
    (Pontificia Universidad Javeriana Cali, 2023) Hernández Acosta, Pedro Miguel; Jaramillo Botero, Andrés; Arango Mambuscay, Carlos Alberto
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    Sustainable optimization of rice production in Colombia: Integrating intermittent irrigation strategies, cultivar selection, and heat-resistant genotypes for greenhouse gas emission mitigation and preservation of agricultural yields in diverse climatic conditions
    (Pontificia Universidad Javeriana Cali, 2024) Loaiza Mera, Sandra Patricia; Jaramillo Botero, Andrés; Valencia Ochoa, Drochss Pettry; Pittelkow, Cameron
    La sostenibilidad en la producción de arroz en América Latina es crucial para preservar nuestros ecosistemas, prevenir la degradación del suelo y contribuir a la mitigación del cambio climático. Este estudio se centró en enfrentar desafíos específicos relacionados con la gestión del agua, las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), la selección de variedades de arroz e identificación de genotipos resistentes a condiciones de altas temperaturas. La implementación de prácticas como el riego de alternancia de inundación y secado (AWD) se exploró como estrategia para mantener los rendimientos del cultivo, reduciendo al mismo tiempo el impacto ambiental. Se evaluaron diversos cultivares en términos de emisiones de metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), rendimiento del grano y su contribución al calentamiento global. Además, se investigó el cambio de inundación a riego intermitente en diversas regiones colombianas, revelando beneficios significativos en la reducción de emisiones y la preservación de los rendimientos del cultivo. La eficiencia en el uso de fertilizantes y la gestión óptima del agua emergieron como prácticas clave para lograr una producción de arroz más sostenible. En resumen, este estudio proporciona una visión integral y estratégica para mejorar la sostenibilidad de la producción de arroz, considerando la gestión eficiente del agua y la reducción de emisiones de GEI en contextos regionales específicos. La creciente demanda de arroz en América Latina requiere prácticas sostenibles de riego para abordar la escasez de agua y reducir las emisiones de GEI. Este estudio investiga el potencial de AWD en comparación con métodos convencionales en el cultivo de arroz tropical en Colombia. Durante cuatro temporadas, los tratamientos AWD (AWD5cm y AWD10cm) demostraron una reducción del 19-56% en el uso acumulado de agua, especialmente en estaciones secas. Además, AWD redujo significativamente las emisiones de CH4 en un 72-100% y las emisiones de N2O en un 12-70%, resultando en una reducción del 25-73% en el potencial de calentamiento global (PCG) en comparación con el control, con un impacto mínimo en la productividad del cultivo (5.2-8.2 Mg ha-1). Los hallazgos sugieren que AWD es una estrategia prometedora para mitigar las emisiones de GEI en el cultivo de arroz tropical a pesar de las barreras de adopción. La selección de cultivares emerge como un factor crítico en la mitigación de GEI, como se demostró en un estudio paralelo sobre cuatro cultivares comerciales de arroz en dos regiones de Colombia. Los resultados indicaron que las emisiones de CH4 y el GWP fueron relativamente bajos debido al drenaje frecuente del campo, con las emisiones de N2O contribuyendo en su mayoría al GWP. Variedades específicas, como F-67 y F-Itagua, redujeron significativamente el GWP en un 32-61%, principalmente a través de la reducción de las emisiones de N2O. Este estudio destaca el papel de la selección de variedades de arroz en la reducción de las emisiones de N2O bajo irrigación no continua, una práctica crucial para abordar el cambio climático y la escasez de agua. Además, esta investigación contrasta el impacto de la gestión del agua en tratamientos de riego intermitente e inundado en dos regiones colombianas, Tolima y Casanare. Al evaluar las emisiones de CH4 y N2O, el PCG y el rendimiento del cultivo para dos variedades comerciales de arroz, los hallazgos revelan que la transición de la inundación al riego intermitente reduce significativamente las emisiones de CH4 en aproximadamente un 100% en ambas regiones. Notablemente, se observa una reducción del 54 al 78% en las emisiones de N2O en Tolima, del 6 al 46% en sistemas de secano y un 100% en sistemas irrigados con manejo de la humedad del suelo durante la fertilización en Casanare. En general, el GWP experimenta una reducción que oscila entre el 62 y el 85% en Tolima, del 14 al 62% en sistemas de secano y un 100% en el sistema irrigado en Casanare, destacando el potencial del riego intermitente para minimizar el GWP global y preservar los rendimientos. Por último, una investigación centrada en variedades comerciales de arroz y genotipos resistentes al calor en la región de Tolima bajo riego intermitente e inundado reveló una reducción en las emisiones de CH4 (74-75% en variedades comerciales, 81-95% en genotipos) y una reducción del 61-85% en el GWP. No se observaron diferencias significativas en las emisiones de N2O entre cultivares y tratamientos, enfatizando el papel de la gestión de recursos hídricos sobre la selección de cultivares. A pesar de proporcionar valiosos conocimientos y reconocer las limitaciones del estudio, se propone la investigación futura para explorar el impacto de condiciones climáticas extremas en la sostenibilidad y productividad de diferentes cultivares de arroz. Esta investigación abre la puerta a un estudio más profundo de estrategias de mitigación en diversos aspectos de las prácticas agronómicas del arroz, como los tipos de siembra, el manejo de fertilizantes y la selección de genotipos. El objetivo es determinar el impacto ambiental de estas estrategias sin comprometer la seguridad alimentaria y económica del agricultor. Adicionalmente, este estudio proporciona una base de conocimiento crucial sobre el comportamiento de los cultivos de arroz bajo diferentes prácticas de manejo del riego en condiciones arroceras contrastantes. Asimismo, ofrece información valiosa acerca de los factores de emisión de CH4 y N2O, constituyendo contribuciones significativas para la elaboración de inventarios a nivel nacional y departamental de gases de efecto invernadero en Colombia. Estas contribuciones son fundamentales para fortalecer las Acciones de Mitigación Nacionalmente Apropiadas (sigla en inglés: NAMAs). Además, se busca proporcionar apoyo a los agricultores, permitiéndoles evaluar y considerar qué tipo de prácticas agronómicas pueden contribuir efectivamente a reducir el impacto ambiental y mejorar sus condiciones socioeconómicas y de seguridad alimentaria.