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One of the most active areas in atomic, molecular and optical physics is the use of ultracold atomic gases in optical lattices to simulate the behaviour of electrons in condensed matter systems. The larger mass, longer length scale, and tuneable interactions in these systems allow the dynamics of atoms moving in these systems to be followed in real time, and resonant light scattering by the atoms allows this motion to be probed on a microscopic scale using site-resolved imaging. This book reviews the physics of Hubbard-type models for both bosons and fermions in an optical lattice, which give rise to a rich variety of insulating and conducting phases depending on the lattice properties and interparticle interactions. It also discusses the effect of disorder on the transport of atoms in these models, and the recently discovered phenomenon of many-body localization. It presents several examples of experiments using both density and momentum imaging and quantum gas microscopy to study the motion of atoms in optical lattices. These illustrate the power and flexibility of ultracold-lattice analogues for exploring exotic states of matter at an unprecedented level of precision.

Actualmente las proteasas alcalinas son ampliamente utilizadas en la industria del cuero, en distintas formulaciones de detergentes, también en el proceso de recuperación de plata, y en la producción de hidrolizados de proteínas. Comúnmente, todas estas proteasas se obtienen de fuentes microbianas que crecen en sustrato relativamente caros. Muchos estudios demuestran que cerca del 40% del costo de producción de estas enzimas está relacionada con la composición del medio de cultivo. Para reducir el costo de producción es importante la búsqueda de microorganismos capaces de crecer y de producir suficiente cantidad de la enzima usando sustratos baratos. En este sentido desechos de naturaleza queratínica tienen un enorme potencial para ser utilizacos como sustrato para la producción de un grupo de enzimas proteolíticas llamado queratinasas, las cuales presentan la capacidad de hidrolizar la queratina, proteína sumamente resistente a la degradación por su estructura y por la presencia en su molécula de puentes disulfuro. En el presente trabajo de tesis seis cepas de hongos no patógenos aislados de suelos alcalinos de la provincia de Buenos Aires, Argentina, (Acremonium murorum, Aspergillus sidowii, Cladosporium cladosporioides, Neurospora tetrasperma, Purpureocillium lilacinum (ex Paecilomyces lilacinus) y Westerdikella dispersa) fueron evaluados de acuerdo a su capacidad de producir enzimas queratinolíticas. Entre estas cepas, P. lilacinum resultó ser el hongo con mayor producción de actividad proteolítica y queratinolítica, tanto en fermentación en sustrato solido como en sumergido, siendo seleccionado para continuar con este trabajo. Se establecieron las condiciones óptimas de cultivo para la producción enzimática utilizando diseños experimentales y la metodología de superficie de respuesta. Las condiciones óptimas fueron: 7,10 g/l de glucosa; 0.0065 mg/l de CaCl₂ y pH inicial de 5.60; en estas condiciones de cultivo, el rendimiento máximo para la producción de queratinasas predijo por el modelo fue de 26,7 U azo/ml. La validación del modelo demostró que, tanto el polinomio como las correspondientes superficies de respuesta obtenidas describen adecuadamente la influencia de la concentración de glucosa, de calcio y el pH inicial en la producción de queratinasas. Luego de la optimización del medio de cultivo se procedió a la purificación de la enzima, las etapas involucradas en la purificación fueron la precipitación con sulfato de amonio y distintas técnicas cromatográficas de intercambio iónico y permeación en gel, con un factor de purificación de 19.8 veces y una actividad específica de 1430 U/mg de proteína. El peso molecular de la enzima, determinado por SDS-PAGE, fue de 37 kDa. La queratinasa extracelular de P. lilacinum se caracteriza por su apreciable estabilidad en un amplio intervalo de pH (4.0 a 9.0), y hasta 65°C. La inhibición que presenta frente a PMSF (98,2% de la inhibición) sugiere su naturaleza serínica. La enzima es activa y estable en presencia de solventes orgánicos tales como dimetilsulfóxido, metanol, e isopropanol; ciertos tensioactivos como Triton X-100, dodecilsulfato de sodio, y Tween 85, y agentes oxidante como el peróxido de hidrógeno. Sus parámetros cinéticos de inactivación térmica fueron estimados bajo diferentes condiciones y fue posible observar cómo afectan calcio, el glicerol y el propilenglicol a la estabilidad térmica de la enzima. Se investigó la inmovilización covalente de la queratinasa pura sobre un soporte de quitosán, optimizando la concentración de los agentes entrecruzantes glutaraldehído y genipina, así como también el tiempo de activación. La enzima inmovilizada presentó mayor estabilidad frente a pH y temperaturas extremas en comparación con la enzima libre, además retiene 61.37 % de la actividad enzimática inicial después de cinco ciclos de hidrolisis. Se estudiaron las potenciales aplicaciones biotecnológicas del extracto enzimático, entre ellas se estudió por su compatibilidad y estabilidad frente a detergentes comerciales (7 mg/ml) como Ariel y Skip, observándose que éste retiene más de 70 % de su actividad proteolítica inicial después de 1 h de incubación a 40ºC. La simulación de lavado reveló que el extracto era capaz de eliminar eficazmente las manchas de sangre. Se estudió también la posibilidad de utilizar este extracto enzimático en la recuperación de plata a partir de placas radiográficas usadas. En dosis de enzima de 6,9 U azoc/ml y a 60ºC, la eliminación completa de la capa de gelatina con la liberación completa de las partículas de plata se alcanzó en 6 min a pH 9.0. Por último, P. lilacinum además de producir enzimas queratinolíticas con la producción de paralela de amonio, mostró la capacidad producir sideróforos y ácido indolacético (IAA) al crecer con residuo pelo como sustrato en presencia de Trp y baja concentración de hierro. Se realizaron ensayos a nivel de invernadero con plantas de tomate, encontrándose que, en términos de peso seco, el hidrolizado mostró un efecto similar al del fertilizante de referencia. Además, el hidrolizado demostró poseer actividad antifúngica contra varios patógenos de las plantas. Estos resultados indican el potencial biotecnológico tanto del extracto enzimático como el de la enzima pura de P. lilacinum siendo interesante además la capacidad del hongo de producir esta enzima utilizando un como sustrato un residuo de valor nulo, con lo cual sería de esperar que su costo de producción resulte relativamente bajo.

Las reacciones dominó constituyen una rama fascinante de la química orgánica. Estas han sido definidas como procesos en los que están involucrados dos o más transformaciones de formación o fragmentación de enlaces, que ocurren bajo las mismas condiciones de reacción, sin el agregado de reactivos o catalizadores, y en los cuales cada etapa de reacción es consecuencia directa de la funcionalidad creada en la anterior. Esencialmente, las reacciones dominó generan complejidad molecular de manera eficiente, son simples, selectivas y por sobre todo, la principal ventaja en su empleo se relaciona con la gran reducción de costos y efectos adversos sobre el medio ambiente en los procesos de producción de moléculas orgánicas. Nuestro grupo de trabajo estuvo previamente involucrado en el desarrollo de una reacción dominó fotoquímica-pericíclica en la que, por irradiación en presencia de oxígeno de la dienona natural b-ionona y derivados sintéticos, se obtienen compuestos peroxídicos del tipo 1,2,4-trioxano. Si bien estos peróxidos han demostrado ser intermediarios versátiles en síntesis orgánica, su principal importancia deriva de la asombrosa actividad antimalárica del sesquiterpeno artemisinina cuyo farmacóforo es la unidad de 1,2,4-trioxano. El proceso dominó descubierto se compone de cuatro etapas: isomerización de doble enlace, reacción oxa-6p-electrocíclica y cicloadición de intermediario 2H-pirano con oxígeno singlete generado en ausencia de un sensibilizador externo. El principal objetivo de este trabajo fue entonces, habiendo establecido sus principios básicos sobre una serie específica de dienonas, explorar la generalidad del proceso en tándem desarrollado. Para lograr nuestro objetivo, diversos sistemas carbonílicos conjugados fueron preparados y evaluados para concluir que la fotooxidación autosensibilizada es factible aún en sistemas dienónicos bien diferenciados de ionona. Las cinamiliden- y dieniliden-1,3-dicetonas, preparadas por condensación de Knoevenagel entre compuestos 1,3-dicarbonílicos y aldehídos a,b-insaturados, fueron los sustratos que dieron lugar a la preparación de una nueva serie de 1,2,4-trioxanos. Si bien la evaluación del perfil de actividad biológica de algunos de los peróxidos preparados frente a un panel de agentes patógenos que incluyó al agente etiológico de la malaria P. falciparum no fue alentadora; la evaluación de lasdienonas precursoras, análogos simplificados de 2-ariliden-ciclopentano-1,3-dionas naturales que exhiben interesantes actividades biológicas, demostró que la mayoría de los compuestos testeados exhibe significativa acción antileishmánica. Como resultado establecimos una nueva estructura modelo en la búsqueda de agentes terapéuticos para esta otra desatendida enfermedad parasitaria que sigue siendo una problemática principalmente en países subdesarrollados. Durante el estudio del proceso en tándem fotoquímico/pericíclico también se realizaron avances en la conocida secuencia dominó aniónica/pericíclica para la síntesis de 2H-piranos por condensación entre sustratos 1,3-dicarbonílicos y aldehídos a,b-insaturados. Por otra parte, la extensión de esta química a la reacción de condensación entre sustratos 1,3-dicarbonílicos y aldehídos a,b,g,d-insaturados constituyó la base para el descubrimiento de un proceso dominó no convencional para la síntesis del sistema heterobicíclico de ciclopenta[b]dihidrofurano. La exploración sistemática de este proceso posibilitó el desarrollo de nueva metodología que combina la fácil formación de especies electrofílicas a partir de carbonilpolienos con una cascada de reacciones generadoras de complejidad estructural.

A lo largo de este trabajo se ha mencionado la importancia que la química combinatoria ha tenido en el desarrollo de la industria farmacéutica en las últimas décadas. Además se debe tener en cuenta que la síntesis en fase sólida de moléculas pequeñas es la técnica de elección para el desarrollo de dicha disciplina. La importancia clínica de los compuestos beta-lactámicos es inobjetable ya que su estructura se encuentra presente en una gran cantidad de antibióticos e inhibidores de beta-lactamasas, ampliamente distribuidos en el mercado farmacéutico. En este trabajo de tesis se describe el desarrollo de las modificaciones realizadas en distintas posiciones del ácido penicilánico unido a diferentes resinas comerciales, en función de obtener una biblioteca de derivados beta-lactámicos con posible actividad biológica. El trabajo se inició con grandes expectativas debido a que poco se había realizado en síntesis en fase sólida de este tipo de compuestos hasta ese momento. El primer objetivo fue desarrollar derivados modificados en las posiciones 6, 1 y 2beta-metil del núcleo penam. Para este fin se utilizaron resinas con características marcadamente diferentes, ajustando las condiciones de síntesis para obtener la mayor diversidad de compuestos y efectuar la comparación de los rendimientos obtenidos en cada una de ellas. De esta manera se puso a punto una técnica para obtener penicilinas halometil sustituidas en la posición 2beta-metil del núcleo penam. Las primeras experiencias se llevaron a cabo con la resina de Wang adaptando luego esta metodología para el empleo de la resina de Merrifield obteniendo buenos resultados en la síntesis de los compuestos deseados. [Figura reacción química 1, p. 137] La reacción de distintos heterocicliltioles con el ácido penicilánico unido a la resina de Merrifield resultó satisfactoria y se lograron obtener diez compuestos distintos con rendimientos de buenos a muy buenos para el total de la secuencia sintética [Figura reacción química 2, p. 138] Se llevó a cabo la oxidación del azufre de posición 1 a la correspondiente sulfona con buenos rendimientos sobre penicilinas 2beta-halometil sustituidas soportadas en resina de Merrifield. En cambio no se logró oxidar dicho azufre en el caso de los 2beta-heterocicliltiometil derivados. [Figura reacción química 3, p. 138] Se logró poner a punto una metodología de unión de los compuestos beta-lactámicos a la resina de Wang utilizando el reactivo de Mukaiyama, con excelentes resultados. Los compuestos generados por modificación del núcleo penam unido a esta resina se identificaron por RMN de 13C en fase gel. En este caso cabe destacar el beneficio de reducir el tiempo que insume la identificación de los compuestos sintetizados, dado que no es necesario desprenderlo de la resina para su posterior evaluación. Utilizando la resina de Wang se pudo elaborar una biblioteca de derivados beta-lactámicos modificados con rendimientos, en algunos casos, mayores a los logrados con la resina de Merrifield. [Figura reacción química 4, p. 138] [Figura reacción química 5, p. 139] Por último se utilizó como soporte sólido la resina JandaJel, alternativa interesante ya que aumenta al doble su capacidad de “hinchado” respecto a las resinas comunes. Sin embargo, la síntesis en fase sólida de penicilinas 2beta-heterocicliltiometil sustituidas utilizando esta resina no produjo mejores rendimientos que aquellos con la resinas de Merrifield y Wang, a pesar de las expectativas planteadas por las características anteriormente descritas de esta resina. [Figura reacción química 6, p. 139] En conclusión, este trabajo de tesis ha demostrado la aplicabilidad de la química sobre soporte sólido a derivados de penicilinas. La unión a las resinas comerciales de Merrifield, Wang y JandaJel han sido optimizadas, destacándose una nueva metodología de unión de los compuestos beta-lactámicos a la resina de Wang utilizando el reactivo de Mukaiyama. Se ha demostrado además la posibilidad de ruptura al final de la síntesis bajo condiciones suaves, a través del uso de AlCl3 o ácido trifluoracético, dependiendo de la resina utilizada. Finalmente se llevó a cabo la funcionalización de los derivados del núcleo penam sobre soporte sólido llevando a un método muy conveniente para la síntesis penicilinas 2beta-metil sustituidas. Esta estrategia puede ser muy útil para la generación de bibliotecas de compuestos de potencial actividad biológica.