A theoretical approach to the engineering of bioinspired systems: design, applications & information management
Authors:   , Revilla López Guillermo 
Published: September 2023

L’enginyeria de sistemes bioinspirats ha crescut en importància i nombre d’aplicacions en el últims anys, atraient
l’atenció dels científics sobre els seus usos potencials en camps com ara la bionanotecnologia, la nanomedicina i la
ciència de materials.
En aquesta tesis, es presenta una aproximació mitjançant mètodes computacionals a l’enginyeria de sistemes
biomimètics. Em posat la nostra èmfasi en l’estudi teòric basat en principis fonamentals de sistemes peptídics, això
vol dir des de mètodes mecànic quàntics d’alt nivell per als elements més bàsics fins a la simulació de tot o part del
sistema en un ambient més realista a partir de diferents aproximacions computacionals. Un altre objectiu del present
treball és la recopilació exhaustiva de la informació derivada dels estudis fets així com dels potencials usos en un
sistema informàtic orientat a l’usuari d’emmagatzemament de dades.
S’han caracteritzat anàlegs conformacionalment restringits de l’arginina, prolina i fenilalanina a través de càlculs
mecànic quàntics d’alt nivell. Aquest aminoàcids no codificats (és a dir que no estan entre els 20 aminoàcids
naturals) han demostrat la seva capacitat de modulació del perfil conformacional dels pèptids a on són introduïts. A
més a més, indueixen resistència a l’acció de les proteases a banda d’introduir noves propietats electròniques i
espectroscòpiques útils en aplicacions tals com els sistemes de diagnòstic, alliberadors de fàrmacs i del camp de
l’enginyeria de materials. Els aminoàcids obtinguts són emprats per a modificar pèptids de “homing”, blocs proteics
autoagregants i superfícies actives recobertes de pèptids.
La remarcable quantitat d’informació sobre aminoàcids no codificats accessible en publicacions científiques expressa
la necessitat urgent de sistemes que, basant-se en ordinadors recopilin, organitzin i ofereixin aquesta informació de
manera intel·ligible per a l’usuari final. Una base de dades ha estat dissenyada, creada i posada en funcionament per
tal d’emmagatzemar dades conformacionals teòriques sobre aminoàcids no codificats. La base de dades també conté,
en cas que la informació sigui accessible, dades experimentals referents a aplicacions, caracterització estructural i
propietats espectroscòpiques.
En resum, aquests treball ofereix un nou enfoc a l’enginyeria assistida per ordinador i la gestió de la informació de
sistemes bioinspirats des de les seves unitats més elementals fins al disseny de les aplicacions de major complexitat
The engineering of systems inspired by biochemical molecules has grown in importance and number of applications
in the recent years, focusing the researchers’ attention in its potential uses in fields such as nanotechnology,
bionanotechnology, nanomedicine and material sciencie.
A computational approach to engineering of biomimetic systems is presented in this work. Our emphasis is put on
theoretical studies of some peptidic systems from scratch, this means from the use high level quantum mechanics
studies of their primary building blocks to the simulation using different computational approaches of their behavior
as part of an entire system in a more realistic environment. The thorough compilation of the derived information and
its potential uses in a proper user-friendly data-storage support is also a question dealt in the thesis.
Conformationaly restricted analogues of arginine, proline and phenylalanine amino acids are designed and fully
characterized using high level quantum mechanics methods. These new non-coded amino acids (non-naturally
occurring amino acids in proteins) demonstrate to modulate the conformational profile of peptides where they are
inserted. Furthermore, they induce resistance to proteolysis altogether with new electronic and spectroscopic features
useful in diagnostics, drug delivery and material engineering. The developed non-coded amino acids are used to
engineer systems such as homing peptides, self-aggregating protein building blocks and peptide-coated active
surfaces.
The remarkable amount of information available about non-coded amino acids in scientific publications stressed out
the dire need of computer-based systems to gather, to organize and to display in a user-friendly way the information
about these compounds. A data base has been designed, implemented and run to store theoretically-obtained
conformational information on non-coded amino acids. The data bases also contains, if available, experimentallyacquired
knowledge such us structural and spectroscopic characterizations and reported applications.
To conclude, this thesis offers a successful approach to the computer-aided engineering and information
management of bioinspired systems from their basics to high complexity design.