Chile, Peru and France, as well as many countries in South America and Europe, share a very similar systems to deal with their electricity markets. In parallel, all three countries (together with the rest of the world) are being affected by
climate change in many aspects, such as scarcity of water, intense droughts, pollution and the greenhouse effect, the necessity of new energy sources, just to name a few.
To face these challenges, we need new technology coming from many fields of science. One of such fields is mathematics and in particular, stochastic optimization and game theory. These theoretical fields allow us to model
economic interactions, management solutions, optimal design and operations, among many other relevant aspects of Natural Resources and Energy Management.
In the present project, we propose to develop new theoretical and numerical advances in four research lines, concerning Stochastic Optimization and Game Theory. Namely, we will work on: 1) Continuity-like properties in Equilibrium problems; 2) Regularity in Generalized Equilibrium problems; 3) Bilevel games with decision-dependent uncertainty; and 4) Algorithms and mechanism design in learning games. The four research lines are strongly motivated by the aforementioned applications.

Producción Escalable de Inmunoestimulantes Nanoestructurados para el Control de Piscirickettsiosis en Salmón del Atlántico

Tenacibaculosis is an emerging pathogen recently classified as high-risk disease. Since 2020 it is the second pathogen after Piscirickettsia salmonis producing higher mortalities in Atlantic salmon. Diverses species of Tenacibaculosis has been described in Chile, but Tenacibaculum dicentrarchi present the higher prevalence in culture centers. Before 2018, underreporting of Tenacibaculosis was possible due to the external signology is similar with Piscirickettsiosis. P. salmonis is the main pathogen in Chilean salmon farming, causing the principals mortalities because of diseases. In recent years, concerns related to Tenacibaculosis and Piscirickettsiosis coinfection have increased due to detrimental effects on the health status of fish in comparison to the single infection. Our proposal aim to characterize the immune response elicit by T. dicentrarchi in Atlantic salmon and describe how it is related to a coinfection by P. salmonis. First, we propose the description of the single infection of T. dicentrarchi due to the lack of information about the immune response it induces in Atlantic salmon. Then, we propose the characterization of the coinfection between T. dicentrarchi and P. salmonis and the possible weaker of the health status of the fish due to T. dicentrarchi may favors the development of the secondary infection. Therefore, we hypothesize that “Tenacibaculum dicentrarchi chronic infection triggers a type 2 immunity (Th2/M2) IL-4/13/ IL-10+ phenotype in head kidney and spleen of Atlantic salmon, increasing the secretion of anti-inflammatory cytokine IL-10, which favor and increase the severity of Piscirickettsia salmonis coinfection”. The general objective of the proposal is to demonstrate that a chronic infection of Tenacibaculum dicentrarchi causes in Atlantic salmon a status of head kidney and spleen immunosuppression presented an IL 4/13/ IL-10+ phenotype and increasing the mortality provoked by Piscirickettsia salmonis coinfection. To demonstrate the hypothesis, three specific objectives are proposed. First specific objective is “Characterize the immunological response of the single infection of T. dicentrarchi and coinfection with T. dicentrarchi and P. salmonis in Atlantic salmon under field conditions during outbreak seasons”. For this specific objective, we designed the Trial 1: Field sampling in open-sea cages during a single infection of T. dicentrarchi in winter and a coinfection with T. dicentrarchi and P. salmonis in spring. The analysis of the immune response will be through gene expression by RT-PCR and proteins by ELISA and western blotting. Then, the second objective propose is “Verify the type 2 immunity (Th2/M2) IL-4/13/ IL-10+ phenotype elicit by a T. dicentrarchi infection in Atlantic salmon under controlled conditions of laboratory”. To accomplish this goal we designed the Trial 2: A single infection challenge with T. dicentrarchi in Atlantic salmon in laboratory conditions in order to better characterize the immune response at a cellular level by flow cytometry and a molecular level by RNA-seq, RT-PCR and protein level. The final specific objective is “Characterize at the immunological level the development and severity of P. salmonis infection in Atlantic salmon infected by T. dicentrarchi under controlled conditions of laboratory”. To achieve this objective we designed the Trial 3: A coinfection with T. dicentrarchi and P. salmonis in Atlantic salmon in laboratory conditions with the respective single infection controls of each pathogen and posterior analysis by molecular and protein level. The expected results are: 1) The characterization of the immune response at functional level of the single infection of T. dicentrarchi and the coinfection of T. dicentrarchi and P. salmonis in Atlantic salmon in open-sea cages; 2) Verification that T. dicentrarchi triggers a type 2 immunity (Th2/M2) with an increase in the secretion of cytokine IL-10 demonstrated through transcript, protein, and cellular analysis in laboratory conditions that will let us a better resolution of the immune response characterization in comparison with the field conditions; 3) Characterization of the development of a more harmful P. salmonis infection due to the weaker health status on Atlantic salmon produced by of T. dicentrarchi, which means a higher bacterial load of P. salmonis and mortality rate in coinfected fish with T. dicentrarchi and P. salmonis. The results obtained in this research will provide animal health information to improve the productive management of salmonids and contribute to the knowledge of the health status of Atlantic salmon in the context of the two main pathogens affecting Chilean aquaculture nowadays.

La Piscirickettsiosis es una grave enfermedad bacteriana que resulta en altos niveles de mortalidad en diferentes especies de salmónidos. Las pérdidas totales, incluidos los costos de vacunación y los tratamientos antimicrobianos se han estimado en alrededor de $ 450 millones de dólares por año en Chile. Desafortunadamente, las vacunas contra este patógeno han mostrado ser poco efectivas para prevenir esta enfermedad, lo que se ha asociado a fenómenos de coinfección de Caligus, variabilidad del patógeno y del hospedero. Recientes estudios muestran, además, que los mecanismos de respuesta inmune innata son los responsables de otorgar protección a los peces frente a un desafío con esta bacteria. De esta manera, la falta de tratamientos eficaces contra Piscirickettsia salmonis fundamentan la necesidad de buscar nuevas alternativas de tratamientos profilácticos, las que deberían estar orientados a reforzar el sistema inmune innato del hospedador.
En base a estas necesidades nosotros proponemos evaluar proteínas nanoestructuradas, también conocidas como cuerpos de inclusión como inmunoestimulantes para el control de P. salmonis en salmón del Atlántico (Salmo salar). Estas proteínas nanoestructuradas pueden expresar cualquier proteína con una función de interés, la cual es liberada gradualmente en el tiempo. Además, son muy estables y resisten duras condiciones fisicoquímicas manteniendo su funcionalidad por lo que no es necesario su encapsulación. Debido a que la producción de estas proteínas es altamente escalable en biorreactores bacterianos surgen entonces como una herramienta de biotecnología viable de llegar a ser una solución comercial. Recientemente he evaluado con éxito el uso de proteínas nanoestructuradas de citoquinas como inmunoestimulantes en trucha arcoíris (Onchorhynchuss mykiss) y el pez cebra (Danio rerio). La prueba de concepto de esta tecnología mostró que los cuerpos de inclusión pueden estimular una respuesta inmune en macrófagos de trucha arcoíris. Además, las proteínas nanoestructuradas administrados por vía intraperitoneal protegen al pez cebra frente a una infección bacteriana letal y al ser administrados oralmente son absorbidos por células presentes en la mucosa intestinal.
En base a esto, proponemos como proyecto desarrollar proteínas nanoestructuradas como inmunoestimulantes contra Piscirickettsia, para ello contaremos con la asesoría técnica de tres laboratorios de la PUCV. Como primer objetivo realizaremos la clonación de los genes que expresan las proteínas de interés y la producción de los plásmidos para ser expresados en bacterias. Este objetivo se llevará a cabo en el Laboratorio de Genética y Genómica Aplicada. En el segundo objetivo, produciremos las proteínas recombinantes con la asesoría técnica y en las instalaciones del Laboratorio de Cultivo de Células Microbianas. Este grupo es experto en la producción de proteínas recombinantes en biorreactores de bacterias. Como tercer objetivo cuantificaremos y caracterizaremos las proteínas producidas con la asesoría y en el laboratorio del Grupo de Marcadores Inmunológicos de Organismos Acuáticos. Este laboratorio es especialista en la purificación, cuantificación y caracterización de proteínas. Además, contaremos con la asesoría del Laboratorio de Genética y Genómica Aplicada en cuanto a cómo dar continuidad al presente proyecto e introducir el producto en la industria. Nosotros esperamos como resultado de este proyecto desarrollar proteínas nanoestructuradas que sean administradas a peces como inmunoestimulantes contra Piscirickettsia. El desarrollo de un método profiláctico efectivo contra P. salmonis permitirá disminuir las pérdidas económicas asociadas a la Piscirickettsiosis y disminuir el uso excesivo de antibióticos en la industria de cultivo de salmones en Chile.

La Piscirickettsiosis es una grave enfermedad bacteriana que resulta en altos niveles de mortalidad en diferentes especies de salmónidos. Las pérdidas totales, incluidos los costos de vacunación y los tratamientos antimicrobianos se han estimado en alrededor de $ 450 millones de dólares por año. Desafortunadamente, las vacunas contra este patógeno han mostrado ser poco efectivas para prevenir esta enfermedad, lo que se ha asociado según estudios de nuestro laboratorio a fenómenos de coinfección de Caligus, variabilidad del patógeno y del hospedero. Recientes estudios muestran, además, que los mecanismos de respuesta inmune innata son los responsables de otorgar protección a los peces frente a un desafío con esta bacteria. De esta manera, la falta de tratamientos eficaces contra Piscirickettsia salmonis fundamentan la necesidad de buscar nuevas alternativas de tratamientos profilácticos, las que deberían estar orientados a reforzar el sistema inmune innato del hospedador.
En base a estas necesidades nosotros proponemos evaluar cuerpos de inclusión como inmunoestimulantes de administración oral para el control de P. salmonis en salmón del Atlántico (Salmo salar). Los cuerpos de inclusión son agregados de proteínas recombinantes nanoestructuradas funcionales expresados usualmente en el citoplasma de bacterias recombinantes. Los cuerpos de inclusión pueden expresar cualquier proteína con una función de interés, la cual es liberada gradualmente en el tiempo. Además, son muy estables y resisten duras condiciones fisicoquímicas manteniendo su funcionalidad por lo que no es necesario su encapsulación. Debido a que la producción de los cuerpos de inclusión es altamente escalable en biorreactores bacterianos surgen entonces como una herramienta de biotecnología susceptible de llegar a ser una solución comercial. Recientemente he evaluado con éxito el uso de cuerpos de inclusión de citoquinas como inmunoestimulantes en trucha arcoíris (Onchorhynchuss mykiss) y el pez cebra (Danio rerio). La prueba de concepto de esta tecnología mostró que los cuerpos de inclusión pueden estimular una respuesta inmune en macrófagos de trucha arcoíris. Además, los cuerpos de inclusión administrados por vía intraperitoneal protegen al pez cebra frente a una infección bacteriana letal y al ser administrados oralmente son absorbidos por células presentes en la mucosa intestinal.
Postulamos como hipótesis que los cuerpos de inclusión administrados por vía oral otorgan protección al salmón del atlántico contra P. salmonis. Como primer objetivo de este estudio proponemos realizar la producción y caracterización de los cuerpos de inclusión de dos proteínas relacionadas al sistema inmune innato de salmón del Atlántico. En el segundo objetivo, evaluaremos la capacidad de inmunomodulación del sistema inmune por parte de los cuerpos de inclusión al ser administrados en diferentes dosis a través de la intubación de los peces. Para ello usaremos RT-qPCR donde analizaremos la capacidad moduladora de los cuerpos de inclusión a través de la expresión génica de citoquinas proinflamatorias (TNFα, IL-1β, IFNγ), antiinflamatorias (IL-10), enzima proinflamatoria (COX-2), y receptor tipo Toll (TLR9). También analizaremos TNFα e IL-10 a través de ELISA. Igualmente, se analizará si los cuerpos de inclusión marcados con un fluoróforo son endocitados por células intestinales y si son trasladados al bazo a través de citometría de flujo. En el tercer objetivo, analizaremos la eficacia de los cuerpos de inclusión para el control de P. salmonis en salmón del Atlántico administrados a través del alimento en un desafío experimental. Se evaluará a través de técnicas moleculares (RT-qPCR y ELISA) citoquinas proinflamatorias, antiinflamatorias, enzima proinflamatoria, y receptor tipo Toll para analizar la capacidad inmunomoduladora de los cuerpos de inclusión durante un desafío bacteriano. Asimismo, evaluaremos sobrevivencia, carga de P. salmonis y necropsia de los tejidos. Nosotros esperamos como resultado de esta investigación que los cuerpos de inclusión aumenten la sobrevivencia de salmón del Atlántico frente a un desafío de P. salmonis. El desarrollo de un método profiláctico efectivo contra P. salmonis permitirá disminuir las pérdidas económicas asociadas a la Piscirickettsiosis y disminuir el uso excesivo de antibióticos en la industria de cultivo de salmones en Chile.

Piscirickettsia salmonis una de las enfermedades más graves y perjudiciales que afecta a la industria salmonera en Chile, provocando altas mortalidades con pérdidas económicas de USD 700 al año. Esta bacteria intracelular produce la Piscirickettsiosis enfermedad tratada principalmente con vacunas y antibióticos. Sin embargo, y a pesar de existir 34 vacunas comerciales disponibles, estas no han demostrado controlar totalmente los brotes epidémicos. Por otro lado, los antibióticos logran controlar la enfermedad, pero disminuyen el valor del producto debido a la connotación negativa por el riesgo a la salud tanto de animales como humanos. En base a esta problemática es que surge la necesidad de desarrollar nuevos métodos profilácticos que contribuyan al control de este patógeno que pone en riesgo la sustentabilidad de la industria salmonera en Chile. Un nuevo método profiláctico son las nanoproteínas quiméricas, agregados de proteínas que son liberadas gradualmente en el tiempo aumentando su efecto protector, no necesitan de encapsulación, su producción es escalable en biorreactores, son liofilizables, y son altamente estables a condiciones adveras de temperatura y pH. En mi tesis de doctorado en conjunto con la empresa Nanoprot proponemos el desarrollo y producción de un prototipo de baja resolución de una vacuna en base a nanoproteínas quiméricas para combatir brotes de P. salmonis. Nuestro primer objetivo es desarrollar nanoproteínas en base a proteínas formadas por regiones altamente inmunogénicas y antigénicas de distintas secuencias aminoacídicas de P. salmonis. Su conformación proteica en conjunto con una lenta liberación en el tiempo permitirá aumentar la protección en salmónidos frente a esta bacteria, sin necesidad de vacunación de refuerzo. Luego del diseño, se seleccionará la nanoproteína quimérica que cumpla con las características de eficiencia de producción, funcionalidad y capacidad de modular la respuesta inmune en base a ensayos in vitro en macrófagos de salmón del Atlántico. Finalmente, se evaluará en bioensayo si generan una respuesta inmune adaptativo-prolongada en el tiempo en salmón del Atlántico. Los resultados obtenidos serán: (1) prototipo de baja resolución de una vacuna; (2) Know-how relativo a la formulación del producto; (3) estudio de patentabilidad y/o licenciamiento del prototipo; (4) publicación de artículo científico y difusión; (5) levantamiento de recursos para continuidad de proyecto; y (6) entrega de tesis y prototipo a empresa. El proyecto de tesis es parte de las líneas de desarrollo de Nanoprot; se enmarcan en las necesidades de la empresa del desarrollo de investigación de I+D+i que permita brindar una solución innovadora para el control de la Piscirickettiosis. Nanoprot es una start-up que nace en la PUCV, por lo que existe una estrecha vinculación entre el tesista, tutor y el mentor en el desarrollo de la propuesta. La creación de este prototipo nos brindará la oportunidad de postular a nuevos fondos que den continuidad a este trabajo y que permitan mi contratación por parte de la empresa. Asimismo, aportará una solución innovadora a la industria salmonera disminuyendo las mortalidades, pérdidas económicas y uso de antibióticos asociadas a P. salmonis.

Síntesis y caracterización de sistemas de liberación basados en quitosano y estudio de efectos inmunomoduladores en peces de acuicultura (Chitfish)

As the world explores alternatives to fossil fuels, hydrogen (H₂) has emerged as a critical element in accelerating the transition to clean and renewable energy sources (Gaucher et al., 2023; Le et al., 2023; Blay-Roger et al., 2024). Unlike gasoline, which emits CO2 when burned, H₂ combustion produces only water vapor, making it a high-quality and environmentally friendly fuel alternative. Hydrogen is primarily produced for industry processes, including “green hydrogen”, “blue hydrogen”, and “gray hydrogen” (IEA, 2019). On the other hand, the so-called “natural” or “white hydrogen” is potentially a more cost-effective and environmentally friendly alternative because it is ready to be used for energy production, without the need for polluting processes to obtain it (Smith et al., 2005; Lapi et al., 2022; Gaucher et al., 2023; Blay-Roger et al., 2024). However, H₂ accumulation in the subsurface has been largely overlooked due to assumptions of its rarity or nonexistence, attributed to the hydrogen’s inheritance characteristics (small and reactive molecule). The first fortuitous discoveries in the USA or Mali (West Africa) proved that it was a mistake (Zgonnik, 2020).

Currently, the geological processes that generate natural hydrogen have started to be better understood, but the conditions for its accumulation remain poorly constrained (Lévy et al., 2023). The potential for global extraction of natural hydrogen is significant, so it is critical that we understand how it is generated, transported, and ultimately trapped. Recent discoveries of natural hydrogen in various geological settings, including mid-ocean ridges, ophiolitic nappes, transform faults, convergent subduction margins, and intraplate settings (Zgonnik et al., 2020; Jackson et al., 2024) highlight the increasing interest in this resource. As a result, exploration projects are currently active in several countries such as Australia, the USA, France, Spain, and South America (e.g., Zgonnik et al., 2020, Jackson et al., 2024). Experience in managing H₂ reservoirs is obviously still missing, but the analogies should perhaps rather be sought in the field of geothermal energy (Moretti et al., 2023).

In terms of geotectonic settings of natural hydrogen formation, subduction zones represent the primary geological environment for the large-scale interaction between water and mantle peridotite, i.e., serpentinization processes (Zgonnik et al., 2020). Serpentinization is the most effective and hence important subsurface process for producing and focusing natural hydrogen in potentially commercial volumes (Jackson et al., 2024). Particularly, in the Central Andean Volcanic Zone (CAVZ; 18-28°S; Fig. 1a) only a limited number of investigations have focused on natural hydrogen data. Moretti et al. (2023) confirmed the presence of natural hydrogen in the Bolivian Altiplano (e.g., Pampa Lirima and Sol de Mañana; Fig. 1a) by using geochemical measurements of gasses from hot springs and in-situ analysis of soil gas. Moreover, the 3He/4He ratios in the Altiplano-Puna plateau indicate that the amount of He uprising from the mantle (i.e., 3He content) is very large (Fig. 1b). This indicates that deep gasses are migrating toward the overriding plate surface above subduction (Fig. 1c). Based on the findings of Moretti et al. (2023), it is highly probable to find natural hydrogen in the Chilean portion of the Altiplano. In this context, the proposed research plans to unlock the geological origin and assess the potential of natural hydrogen in northern Chile. Moreover, this project goes one step further than the study of Moretti et al. (2023) and proposes to investigate the potential occurrences of natural hydrogen associated with specific structural arrangements related to volcanic and geothermal systems (Veloso et al., 2019). For that reason, the acquisition of new geological, structural, geochemical, seismological, and geophysical data is crucial to better understand natural hydrogen systems and to determine the prospectivity of new areas in Chile.

We propose to undertake a 3-year long project, devoted to achieving a detailed comprehension of the Li dynamics and impacts, from source to sink, in the Andean salars (including Preandean and high Andean salars) of the Antofagasta Region of Chile (Fig. 1). The methodological approach is multidisciplinary and includes geological, hydrological, mineralogical, geochemical, microbiological and social techniques. The specific study cases are given by the Salar de Atacama (SDA), recognized as the most important Li brine reservoir in Chile (Cabello, 2022), and 3 salt flats domains located eastwards; these latter domains are, from south to north:
Northern domain. Pujsa, Tara, and Quisquiro salt lakes.
Southern domain. Capur, Talar, and Tuyajto salt lakes.
Central domain. Aguas Calientes Sur and Laguna Lejia salt lakes.

Ensuring a secure and sustainable water supply is a major challenge for the 21th century. The population growth,
urbanization, and industrial/agriculture expansion need an increasing water provision, delivered at a constant rate.
Furthermore, under the current climate change and droughts scenarios, with the depletion of surface water storage
and quality, groundwater resources are fulfilling the growing water requirement for food and energy production.
Estimated data indicate that in the 2010 ́s, groundwater supplies 36% of potable water, 43% of irrigated agriculture
(considering the baseflow feeding rivers, this percentage is higher), and 24% of direct industrial water supply. The
groundwater use is growing at a rate of 5% per year, and by 2050, the food and water demand will increase by 50%.
However, the misconceiving and oversimplification of conceptual models about groundwater recharge points out
that around 25% of its use is unsustainable. These considerations highlight how identifying innovative and
integrated solutions to tackle the intertwined challenges of water and climate change as well as the complex
interlink between water, energy, and food supply systems under current climate variability is an increasingly major
imperative for the near future.
The study of the water–energy–food nexus has received increasing attention from the global scientific community,
focusing on how these three elements can interact sustainably. The interdependence of water resources, energy
generation, and food production depends on reliable data and information on these resources. In this context,
groundwater can serve to supply water and energy demand, strengthening food security and reducing fossil fuel
energy dependence. Aquifers can provide water and geothermal energy, a clean baseload resource independent
from weather conditions, which could significantly contribute to energy needs, improved air quality and food
production as well as to reach the decarbonization targets. This combined aquifer’s use improvement could be
especially relevant in urban areas where more than 50% of the world’s population lives and which is forecast to
increase to 68% by 2050 with associated greenhouse gas emissions growth up to 80%.
Aquifers are important heat reservoirs because groundwater flow is a powerful heat carrier, which can help achieve
a more sustainable water-energy-food management, representing a major challenge to improving water, energy,
and food security. In fact, by 2050, the demand for water and food is expected to increase by 60%, and the energy
demand will be practically doubled.
In this proposal, the WEF nexus will be specially addressed from the point of view of resources to generate the
necessary knowledge to understand its complexity in Central Chile, and that will provide a timely transfer of the
existing connections to decision makers and society. The aim of this study will be to comprehend the recharge and
connection of surface and ground water in Central Chile and unravel their relationship with energy and food
production. In this sense, the focus is on evaluating the hydrological cycle from mountain areas to the lowlands and
evaluating the possibility that water resources can generate enough heat for direct geothermal projects. These
results, calculated based on real and current water data, will provide valuable information for the energy transition
in Central Chile and will be an instrument to evaluate the real possibility of greenhouse gas reduction. Food
production not only needs water but also to increase its resilience to extreme events (frost, heavy rains, etc.), so
the relationship between water availability, production per hectare, and geothermal energy (direct use) to stabilize
crop conditions will be explored.