Novel microbicidal agents derived from Naja atra cardiotoxin 1 (CTX-1)

During my PhD course, I focused my research on antimicrobial peptides (AMPs), in particular on the aspects of their computational design and development. This work led to the development of a new family of AMPs that I designed, starting from the amino acid sequence of a snake venom toxin, the cardiotoxin 1 (CTX-1) of Naja atra. Naja atra atra cardiotoxin 1, produced by Chinese cobra snakes belonging to Elapidae family, is included in the three-finger toxin family and exerts high cytotoxicity and antimicrobial activity too. This toxin family is characterized by specific folding of three beta-sheet loops (“fingers”) extending from the central core and by four conserved disulfide bridges. Using as template the first loop of this toxin, different sequences of 20 amino acids linear cationic peptides have been designed in order to avoid toxic effects but to maintain and strengthen the antimicrobial activity. As a result, the sequence NCP-0 (Naja Cardiotoxin Peptide-0) was designed as ancestor and subsequently other 4 variant sequences of NCP0 were developed. These variant sequences have shown microbicidal activity towards a panel of reference strains of Gram-positive and Gram-negative bacteria, fungi and an enveloped virus. In particular, the sequence designed as NCP-3 (Naja Cardiotoxin Peptide-3) and its variants NCP-3a and NCP-3b have shown the best antimicrobial activity together with low cytotoxicity against eukaryotic cells and low hemolytic activity. Bactericidal activity has been demonstrated by minimum bactericidal concentration (MBC) assay at values below 10 μg/ml for Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Acinetobacter baumannii ( clinical isolates), Moraxella catharralis ATCC 25238, MRSA ATCC 43400, while towards Staphylococcus aureus ATCC 25923, Enterococcus hirae ATCC 10541 and Streptococcus agalactiae ATCC 13813 the bactericidal activity was demonstrated even below 1.6 μg/ml concentration. This potent antimicrobial activity was confirmed even for unicellular fungi Candida albicans, Candida glabrata and Malassezia pachydermatis (MBC 32.26-6.4 μg/ml), and also against the fast-growing mycobacteria Mycobacterium smegmatis DSMZ 43756 and Mycobacterium fortuitum DSMZ 46621 (MBC 100 μg/ml). Moreover, NCP-3 has shown a virucidal activity on the enveloped virus Bovine Herpesvirus 1 (BoHV1) belonging to herpesviridae family. The bactericidal activity is maintained in a high salt concentration (125 and 250 mM NaCl) medium and PB +20% Mueller Hinton Medium for E. coli, MRSA and Pseudomonas aeruginosa reference strains. Considering these in vitro obtained data, we propose NCP-3 and its variants NCP-3a and NCP-3b as promising antimicrobial candidates. For this reason, the whole novel AMPs family has been protected by a national patent (n°102015000015951).

Study of interaction between Si(O,C) nanowires and the biological system

Nanomedicine is a new branch of medicine, based on the potentiality and intrinsic properties of nanomaterials. Indeed, the nanomaterials ( i.e. the materials with nano and under micron size) can be suitable to different applications in biomedicine. The nanostructures can be used by taking advantage of their properties (for example superparamagnetic nanoparticles) or functionalized to deliver the drug in a specific target, thanks the ability to cross biological barriers. The size and the shape of 1D-nanostructures (nanotubes and nanowires) have an important role on the cell fate: their morphology plays a key role on the interaction between nanostructure and the biological system. For this reason the 1D nanostructure are interesting for their ability to mime the biological system. An implantable material or device must therefore integrate with the surrounding extracellular matrix (ECM), a complex network of proteins with structural and signaling properties. Innovative techniques allow the generation of complex surface patterns that can resemble the structure of the ECM, such as 1D nanostructures. NWs based on cubic silicon carbide (3C-SiC), either bare (3C-SiC NWs) or surrounded by an amorphous shell (3C-SiC/SiO2 core/shell NWs), and silicon oxycarbide nanowires (SiOxCy NWs) can meet the chemical, mechanical and electrical requirements for tissue engineering and have a strong potential to pave the way for the development of a novel generation of implantable nano-devices. Silicon oxycarbide shows promising physical and chemical properties as elastic modulus, bending strength and hardness, chemical durability superior to conventional silicate glasses in aggressive environments and high temperature stability up to 1300 °C. Moreover, it can easily be engineered through functionalization and decoration with macro-molecules and nanoparticles. Silicon carbide has been extensively studied for applications in harsh conditions, as chemical environment, high electric field and high and low temperature, owing to its high hardness, high thermal conductivity, chemical inertness and high electron mobility. Also, its cubic polytype (3C) is highly biocompatible and hemocompatible, and some prototypes of biomedical applications and biomedical devices have been already realized starting from 3C-SiC thin films. Cubic SiC-based NWs can be used as a biomimetic biomaterial, providing a robust and novel biocompatible biological interface . We cultured in vitro A549 human lung adenocarcinoma epithelial cells and L929 murine fibroblast cells over core/shell SiC/SiO2, SiOxCy and bare 3C-SiC nanowire platforms, and analysed the cytotoxicity, by indirect and direct contact tests, the cell adhesion, and the cell proliferation. These studies showed that all the nanowires are biocompatible according to ISO 10993 standards. We evaluated the blood compatibility through the interaction of the nanowires with platelet rich plasma. The adhesion and activation of platelets on the nanowire bundles, assessed via SEM imaging and soluble P-selectin quantification, indicated that a higher platelet activation is induced by the core/shell structures compared to the bare ones. Further, platelet activation is higher with 3C-SiC/SiO2 NWs and SiOxCyNWs, which therefore appear suitable in view of possible tissue regeneration. On the contrary, bare 3C-SiC NWs show a lower platelet activation and are therefore promising in view of implantable bioelectronics devices, as cardiovascular implantable devices. The NWs properties are suitable to allow the design of a novel subretinal Micro Device (MD). This devices is based on Si NWs and PEDOT:PSS, though the well know principle of the hybrid ordered bulk heterojunction (OBHJ). The aim is to develop a device based on a well-established photovoltaic technology and to adapt this know-how to the prosthetic field. The hybrid OBHJ allows to form a radial p–n junction on a nanowire/organic structure. In addition, the nanowires increase the light absorption by means of light scattering effects: a nanowires based p-n junction increases the light absorption up to the 80%, as previously demonstrated, overcoming the Shockley-Queisser limit of 30 % of a bulk p-n junction. Another interesting employment of these NWs is to design of a SiC based epicardial-interacting patch based on teflon that include SiC nanowires. . Such contact patch can bridge the electric conduction across the cardiac infarct as nanowires can ‘sense’ the direction of the wavefront propagation on the survival cardiac tissue and transmit it to the downstream surivived regions without discontinuity. The SiC NWs are tested in terms of toxicology, biocompatibility and conductance among cardiomyocytes and myofibroblasts.

Linfoma renale del gatto:rilievi anatomopatologici, immunofenotipizzazione delle popolazioni linfocitarie ed espressione tissutale dell'antigene virale FeLV gp70.

Riassunto Il linfoma è una delle neoplasie più diffuse nel gatto. Questa neoplasia è stata classificata in base alla localizzazione anatomica nella forma Mediastinica (che interessa il timo e/o i linfonodi mediastinici), Alimentare, Multicentrica (che interessa diversi linfonodi e/o la milza e/o il fegato, Extranodale (che coinvolge i reni, SNC o la cute). Le cellule neoplastiche sono caratterizzate da diverse sottopopolazioni, che sono definite tramite immunofenotipizzazione ottenuta mediante tecniche immunoistochimiche (IHC), così che possano essere classificate come cellule B o T o non B/non T. I gatti infetti dal virus della leucemia felina (FeLV, Gammaretrovirus) presentano elevata incidenza di linfomi rispetto ai gatti non infetti. I meccanismi proposti di sviluppo neoplastico sono mutagenesi inserzionali o stimolazione persistente delle cellule immunitarie dell’ospite da parte di antigeni virali, i quali possono promuovere la trasformazione in senso maligno dei linfociti. Lo scopo di questo lavoro è stato esaminare i rilievi patologici, l’espressione di FeLV e l’immonofenotipo (B, T, nonB/nonT) nei reni felini affetti da linfoma. Abbiamo effettuato colorazione Ematossilina- Eosina ed Immunoistochimica per FeLV gp70, CD3 e CD79. Nello studio sono stati inclusi i tessuti di 49 gatti presentati all’Unità Operativa di Anatomia Patologica e Patologia Generale del Dipartimento di Scienze Medico Veterinarie dell’Università degli studi di Parma. Il 39% dei casi (19/49) sono caratterizzati dalla presenza di lesioni linfomatose a livello renale. Questa popolazione è costituita dal 52,6% 3 (10/19) maschi e dal 47,4% (9/19) femmine. L’età è compresa tra 8 mesi e 17 anni ed in particolare 26,6% (5/19) sono giovani (0-2 anni), 47,4% (9/19) sono adulti (2-10 anni) e 26,3% (5/19) sono anziani (>10 anni). Per quanto riguarda la classificazione anatomica la forma renale appare primitiva in 5 casi (25%), in 8 casi (42%) appare secondaria a linfomi multicentrici, in 3 casi (15,7%) a linfomi mediastinici e in altri 3 casi (15,7%) a linfomi gastrici e intestinali. Per quanto riguarda l’immunofenotipizzazione sono risultati CD3 positivi il 73,7% (14/19) e CD3 negativi il 27,3% (5/19); CD79 alpha positivi il 26,3% (5/19) e CD79 alpha negativi il 73,7% (14/19); l’espressione della proteina gp70 è stata individuata nel 78,9% (15/19) delle neoplasie renali, mentre il 21,1% (4/19) non presentava espressione della proteina. Nei 4 anni presi in considerazione nello studio si evince un’elevata incidenza della localizzazione anatomica renale sul totale di linfomi osservati. Non si è notata correlazione statistica tra linfomi renali, età e sesso dei soggetti presi in esame ma vi è un’elevata percentuale di animali adulti ed anziani affetti dalla patologia. Nella valutazione fenotipica dell’infiltrato neoplastico si è osservata l’elevata espressione di CD3, caratterizzando i linfociti come appartenenti alla sottopopolazione T. Inoltre si è evidenziato come un elevato numero di cellule neoplastiche esprimano gp70; ciò permette di affermare che i linfociti neoplastici sono infettati dal virus FeLV, il quale inoltre è in attiva replicazione. I marker CD3 e gp70 sono risultati fortemente correlati statisticamente; si può affermare perciò che l’espansione clonale dei linfociti T è correlata alla presenza e replicazione del virus.

Electrical investigation of p-type 4H-SiC heavily doped by ion implantation

In the last decades, an increasing interest in the research field of wide bandgap semiconductors was observed, mostly due to the progressive approaching of silicon-based devices to their theoretical limits. 4H-SiC is an example among these, and is a mature compound for applications. The main advantages offered 4H-SiC in comparison with silicon are an higher breakdown field, an higher thermal conductivity, a higher operating temperature, very high hardness and melting point, biocompatibility, but also low switching losses in high frequencies applications and lower on-resistances in unipolar devices. Then, 4H-SiC power devices offer great performance improvement; moreover, they can work in hostile environments where silicon power devices cannot function. Ion implantation technology is a key process in the fabrication of almost all kinds of SiC devices, owing to the advantage of a spatially selective doping. This work is dedicated to the electrical investigation of several differently-processed 4H-SiC ion- implanted samples, mainly through Hall effect and space charge spectroscopy experiments. It was also developed the automatic control (Labview) of several experiments. In the work, the effectiveness of high temperature post-implant thermal treatments (up to 2000°C) were studied and compared considering: (i) different methods, (ii) different temperatures and (iii) different duration of the annealing process. Preliminary p + /n and Schottky junctions were also investigated as simple test devices. 1) Heavy doping by ion implantation of single off-axis 4H-SiC layers The electrical investigation is one of the most important characterization of ion-implanted samples, which must be submitted to mandatory post-implant thermal treatment in order to both (i) recover the lattice after ion bombardment, and (ii) address the implanted impurities into lattice sites so that they can effectively act as dopants. Electrical investigation can give fundamental information on the efficiency of the electrical impurity activation. To understand the results of the research it should be noted that: (a) To realize good ohmic contacts it is necessary to obtain spatially defined highly doped regions, which must have conductivity as low as possible. (b) It has been shown that the electrical activation efficiency and the electrical conductivity increase with the annealing temperature increasing. (c) To maximize the layer conductivity, temperatures around 1700°C are generally used and implantation density high till to 10 21 cm -3 . In this work, an original approach, different from (c), is explored by the using very high annealing temperature, around 2000°C, on samples of Al + -implant concentration of the order of 10 20 cm -3 . Several Al + -implanted 4H-SiC samples, resulting of p-type conductivity, were investigated, with a nominal density varying in the range of about 1-5∙10 20 cm -3 and subjected to two different high temperature thermal treatments. One annealing method uses a radiofrequency heated furnace till to 1950°C (Conventional Annealing, CA), the other exploits a microwave field, providing a fast heating rate up to 2000°C (Micro-Wave Annealing, MWA). In this contest, mainly ion implanted p-type samples were investigated, both off-axis and on-axis <0001> semi-insulating 4H-SiC. Concerning p-type off-axis samples, a high electrical activation of implanted Al (50-70%) and a compensation ratio below 10% were estimated. In the work, the main sample processing parameters have been varied, as the implant temperature, CA annealing duration, and heating/cooling rates, and the best values assessed. MWA method leads to higher hole density and lower mobility than CA in equivalent ion implanted layers, resulting in lower resistivity, probably related to the 50°C higher annealing temperature. An optimal duration of the CA treatment was estimated in about 12-13 minutes. A RT resistivity on the lowest reported in literature for this kind of samples, has been obtained. 2) Low resistivity data: variable range hopping Notwithstanding the heavy p-type doping levels, the carrier density remained less than the critical one required for a semiconductor to metal transition. However, the high carrier densities obtained was enough to trigger a low temperature impurity band (IB) conduction. In the heaviest doped samples, such a conduction mechanism persists till to RT, without significantly prejudice the mobility values. This feature can have an interesting technological fall, because it guarantee a nearly temperature- independent carrier density, it being not affected by freeze-out effects. The usual transport mechanism occurring in the IB conduction is the nearest neighbor hopping: such a regime is effectively consistent with the resistivity temperature behavior of the lowest doped samples. In the heavier doped samples, however, a trend of the resistivity data compatible with a variable range hopping (VRH) conduction has been pointed out, here highlighted for the first time in p-type 4H-SiC. Even more: in the heaviest doped samples, and in particular, in those annealed by MWA, the temperature dependence of the resistivity data is consistent with a reduced dimensionality (2D) of the VRH conduction. In these samples, TEM investigation pointed out faulted dislocation loops in the basal plane, whose average spacing along the c-axis is comparable with the optimal length of the hops in the VRH transport. This result suggested the assignment of such a peculiar behavior to a kind of spatial confinement into a plane of the carrier hops. 3) Test device the p + -n junction In the last part of the work, the electrical properties of 4H-SiC diodes were also studied. In this case, a heavy Al + ion implantation was realized on n-type epilayers, according to the technological process applied for final devices. Good rectification properties was shown from these preliminary devices in their current-voltage characteristics. Admittance spectroscopy and deep level transient spectroscopy measurements showed the presence of electrically active defects other than the dopants ones, induced in the active region of the diodes by ion implantation. A critical comparison with the literature of these defects was performed. Preliminary to such an investigation, it was assessed the experimental set up for the admittance spectroscopy and current-voltage investigation and the automatic control of these measurements.

Photoconductivity and Electro-Optical Properties of Wide Band Gap Metal Oxides

The PhD activity described in this Thesis was focused on the study of metal-oxide wide-bandgap materials, aiming at fabricating new optoelectronic devices such as solar-blind UV photodetectors, high power electronics, and gas sensors. Photocurrent spectroscopy and DC photocurrent time evolution were used to investigate the performance of prototypes under different atmospheres, temperatures and excitation wavelengths (or dark conditions). Cathodoluminescence, absorption spectroscopy, XRD and SEM were used to assess structural, morphologic, electrical and optical properties of materials. This thesis is divided into two main sections, each describing the work done on a different metal-oxide semiconductor. 1) MOVPE-grown Ga2O3 thin films for UV solar-blind photodetectors and high power devices The semiconducting oxides, among them Ga2O3, have been employed for several decades as transparent conducting oxide (TCO) electrodes for fabrication of solar cells, displays, electronic, and opto-electronic devices. The interest was mainly confined to such applications, as these materials tend to grow intrinsically n-type, and attempts to get an effective p-type doping has consistently failed. The key requirements of TCO electrodes are indeed high electrical conductivity and good transparency, while crystallographic perfection is a minor issue. Furthermore, for a long period no high-quality substrates and epi-layers were available, which in turn impeded the development of a truly full-oxide electronics. Recently, Ga2O3 has attracted renewed interest, as large single crystals and high-quality homo- and hetero-epitaxial layers became available, which paved the way to novel application areas. Our research group spent the last two years in developing a low temperature (500-700°C) MOVPE growth procedure to obtain thin films of Ga2O3 on different substrates (Dept. of Physics and IMEM-CNR at UNIPR). We obtained a significant result growing on oriented sapphire epitaxial films of high crystalline, undoped, pure phase -Ga2O3 (hexagonal). The crystallographic properties of this phase were investigated by XRD, in order to clarify the lattice parameters of the hexagonal cell. First design and development of solar blind UV photodetectors based on -phase was carried out and the optoelectronic performance is evaluated by means of photocurrent spectroscopy. The UV-response is adequately fast and reliable to render this unusual phase a subject of great interest for future applications. The availability of a hexagonal phase of Ga2O3 stable up to 700°C, belonging to the same space group of gallium nitride, with high crystallinity and tunable electrical properties, is intriguing in view of the development of nitride-based devices, by taking advantage of the more favorable symmetry and epitaxial relationships with respect to the monoclinic β-phase. In addition, annealing at temperatures higher than 700°C demonstrate that the hexagonal phase converts totally in the monoclinic one. 2) ZnO nano-tetrapods: charge transport mechanisms and time-response in optoelectronic devices and sensors Size and morphology of ZnO at the nanometer scale play a key role in tailoring its physical and chemical properties. Thanks to the possibility of growing zinc oxide in a variety of different nanostructures, there is a great variety of applications, among which gas sensors, light emitting diodes, transparent conducting oxides, solar cells. Even if the operation of ZnO nanostructure-based devices has been recently demonstrated, the mechanisms of charge transport in these assembly is still under debate. The candidate performed an accurate investigation by photocurrent spectroscopy and DC-photocurrent time evolution of electrical response of both single-tetrapod and tetrapod-assembly devices. During the research done for this thesis, a thermal activation energy enables the performance of samples at high temperatures (above about 300°C). The energy barrier is related to the leg-to-leg interconnection in the assembly of nanotetrapods. Percolation mechanisms are responsible for both the very slow photo-response (minutes to hours or days) and the significant persistent photocurrent. Below the bandgap energy, electronic states were investigated but their contribution to the photocurrent are two-three order of magnitude lower than the band edge. Such devices are suitable for employ in photodetectors as well as in gas sensors, provided that the mechanism by which the photo-current is generated and gas adsorption on the surface modify the conductivity of the material are known.

Mechanisms of Mycoplasma-induced inflammation and cellular transformation

There is a growing interest in “medical gasses” for their antibacterial and anti-inflammatory properties. Hydrogen sulfide (H2S), a member of the family of gasotransmitters, is in fact increasingly being recognized as an important signaling molecule, but its precise role in the regulation of the inflammatory response is still not clear. For this reason, the aim of the first part of this thesis was to investigate the effects of H2S on the expression of pro-inflammatory cytokines, such as MCP-1, by using an in vitro model composed by both primary monocytes-derived macrophages cultures and the human monocytic cell line U937 infected with Mycoplasma fermentans, a well-known pro-inflammatory agent. In our experiments, we observed a marked increase in the production of pro-inflammatory cytokines in infected cells. In particular, MCP-1 was induced both at the RNA and at the protein level. To test the effects of H2S on infected cells, we treated the cells with two different H2S donors (NaHS and GYY4137), showing that both H2S treatments had anti-inflammatory effects in Mycoplasma-infected cells: the levels of MCP-1, both mRNA expression and protein production, were reduced. Our subsequent studies aimed at understanding the molecular mechanisms responsible for these effects, focused on two specific molecular pathways, both involved in inflammation: the NF-κB and the Nrf2 pathway. After treatment with pharmacological inhibitors, we demonstrated that Mycoplasma fermentans induces MCP-1 expression through the TLR-NF-κB pathway with the nuclear translocation of its subunits, while treatment with H2S completely blocked the nuclear translocation of NF-κB heterodimer p65/p50. Then, once infected cells were treated with H2S donors, we observed an increased protective effect of Nrf2 and also a decrease in ROS production. These results highlight the importance of H2S in reducing the inflammatory process caused by Mycoplasma fermentans. To this regard, it should be noted that several projects are currently ongoing to develop H2S-releasing compounds as candidate drugs capable of alleviating cell deterioration and to reduce the rate of decline in organ function. In the second part of this study, we investigated the role of Mycoplasma infection in cellular transformation. Infectious agents are involved in the etiology of many different cancers and a number of studies are still investigating the role of microbiota in tumor development. Mycoplasma has been associated with some human cancers, such as prostate cancer and non-Hodgkin’s lymphoma in HIV-seropositive people, and its potential causative role and molecular mechanisms involved are being actively investigated. To this regard, in vitro studies demonstrated that, upon infection, Mycoplasma suppresses the transcriptional activity of p53, key protein in the cancer suppression. As a consequence, infected cells were less susceptible to apoptosis and proliferated more than the uninfected cells. The mechanism(s) responsible for the Mycoplasma-induced inhibitory effect on p53 were not determined. Aim of the second part of this thesis was to better understand the tumorigenic role of the microorganism, by investigating more in details the effect(s) of Mycoplasma on p53 activity in an adenocarcinoma HCT116 cell line. Treatment of Mycoplasma-infected cells with 5FU or with Nutlin, two molecules that induce p53 activity, resulted in cellular proliferation comparable to untreated controls. These results suggested that Mycoplasma infection inhibited p53 activity. Immunoprecipitation of p53 with specific antibodies, and subsequent Gas Chromatography and Mass Spectroscopy (GC-MS) assays, allowed us to identify several Mycoplasma-specific proteins interacting with p53, such as DnaK, a prokaryotic heat shock protein and stress inducible chaperones. In cells transfected with DnaK we observed i) reduced p53 protein levels; ii) reduced activity and expression of p21, Bax and PUMA, iii) a marked increase in cells leaving G1 phase. Taken together, these data show an interaction between the human p53 and the Mycoplasma protein DnaK, with the consequent decreased p53 activity and decreased capability to respond to DNA damage and prevent cell proliferation. Our data indicate that Mycoplasma could be involved in cancer formation and the mechanism(s) has the potential to be a target for cancer diagnosis and treatment(s).

Assembly processes of invertebrate communities in springs across different spatial scales

Il presente lavoro ha lo scopo di comprendere i processi sottesi ai pattern di coesistenza tra le specie di invertebrati sorgentizi, distinguendo tra dinamiche stocastiche e deterministiche. Le sorgenti sono ecosistemi complessi e alcune loro caratteristiche (ad esempio l’insularità, la stabilità termica, la struttura ecotonale “a mosaico”, la frequente presenza di specie rare ed endemiche, o l’elevata diversità in taxa) le rendono laboratori naturali utili allo studio dei processi ecologici, tra cui i processi di assembly. Al fine di studiare queste dinamiche è necessario un approccio multi-scala, per questo motivi sono state prese in considerazione tre scale spaziali. A scala locale è stato compiuto un campionamento stagionale su sette sorgenti (quattro temporanee e tre permanenti) del Monte Prinzera, un affioramento ofiolitico vicino alla città di Parma. In questa area sono stati valutati l’efficacia e l’impatto ambientale di diversi metodi di campionamento e sono stati analizzati i drivers ecologici che influenzano le comunità. A scala più ampia sono state campionate per due volte 15 sorgenti della regione Emilia Romagna, al fine di identificare il ruolo della dispersione e la possibile presenza di un effetto di niche-filtering. A scala continentale sono state raccolte informazioni di letteratura riguardanti sorgenti dell’area Paleartica occidentale, e sono stati studiati i pattern biogeografici e l’influenza dei fattori climatici sulle comunità. Sono stati presi in considerazione differenti taxa di invertebrati (macroinvertebrati, ostracodi, acari acquatici e copepodi), scegliendo tra quelli che si prestavano meglio allo studio dei diversi processi in base alle loro caratteristiche biologiche e all’approfondimento tassonomico raggiungibile. I campionamenti biologici in sorgente sono caratterizzati da diversi problemi metodologici e possono causare impatti sugli ambienti. In questo lavoro sono stati paragonati due diversi metodi: l’utilizzo del retino con un approccio multi-habitat proporzionale e l’uso combinato di trappole e lavaggio di campioni di vegetazione. Il retino fornisce dati più accurati e completi, ma anche significativi disturbi sulle componenti biotiche e abiotiche delle sorgenti. Questo metodo è quindi raccomandato solo se il campionamento ha come scopo un’approfondita analisi della biodiversità. D’altra parte l’uso delle trappole e il lavaggio della vegetazione sono metodi affidabili che presentano minori impatti sull’ecosistema, quindi sono adatti a studi ecologici finalizzati all’analisi della struttura delle comunità. Questo lavoro ha confermato che i processi niche-based sono determinanti nello strutturare le comunità di ambienti sorgentizi, e che i driver ambientali spiegano una rilevante percentuale della variabilità delle comunità. Infatti le comunità di invertebrati del Monte Prinzera sono influenzate da fattori legati al chimismo delle acque, alla composizione e all’eterogeneità dell’habitat, all’idroperiodo e alle fluttuazioni della portata. Le sorgenti permanenti mostrano variazioni stagionali per quanto riguarda le concentrazioni dei principali ioni, mentre la conduttività, il pH e la temperatura dell’acqua sono più stabili. È probabile che sia la stabilità termica di questi ambienti a spiegare l’assenza di variazioni stagionali nella struttura delle comunità di macroinvertebrati. L’azione di niche-filtering delle sorgenti è stata analizzata tramite lo studio della diversità funzionale delle comunità di ostracodi dell’Emilia-Romagna. Le sorgenti ospitano più del 50% del pool di specie regionale, e numerose specie sono state rinvenute esclusivamente in questi habitat. Questo è il primo studio che analizza la diversità funzionale degli ostracodi, è stato quindi necessario stilare una lista di tratti funzionali. Analizzando il pool di specie regionale, la diversità funzionale nelle sorgenti non è significativamente diversa da quella misurata in comunità assemblate in maniera casuale. Le sorgenti non limitano quindi la diversità funzionale tra specie coesistenti, ma si può concludere che, data la soddisfazione delle esigenze ecologiche delle diverse specie, i processi di assembly in sorgente potrebbero essere influenzati da fattori stocastici come la dispersione, la speciazione e le estinzioni locali. In aggiunta, tutte le comunità studiate presentano pattern spaziali riconoscibili, rivelando una limitazione della dispersione tra le sorgenti, almeno per alcuni taxa. Il caratteristico isolamento delle sorgenti potrebbe essere la causa di questa limitazione, influenzando maggiormente i taxa a dispersione passiva rispetto a quelli a dispersione attiva. In ogni caso nelle comunità emiliano-romagnole i fattori spaziali spiegano solo una ridotta percentuale della variabilità biologica totale, mentre tutte le comunità risultano influenzate maggiormente dalle variabili ambientali. Il controllo ambientale è quindi prevalente rispetto a quello attuato dai fattori spaziali. Questo risultato dimostra che, nonostante le dinamiche stocastiche siano importanti in tutte le comunità studiate, a questa scala spaziale i fattori deterministici ricoprono un ruolo prevalente. I processi stocastici diventano più influenti invece nei climi aridi, dove il disturbo collegato ai frequenti eventi di disseccamento delle sorgenti provoca una dinamica source-sink tra le diverse comunità. Si è infatti notato che la variabilità spiegata dai fattori ambientali diminuisce all’aumentare dell’aridità del clima. Disturbi frequenti potrebbero provocare estinzioni locali seguite da ricolonizzazioni di specie provenienti dai siti vicini, riducendo la corrispondenza tra gli organismi e le loro richieste ambientali e quindi diminuendo la quantità di variabilità spiegata dai fattori ambientali. Si può quindi concludere che processi deterministici e stocastici non si escludono mutualmente, ma contribuiscono contemporaneamente a strutturare le comunità di invertebrati sorgentizi. Infine, a scala continentale, le comunità di ostracodi sorgentizi mostrano chiari pattern biogeografici e sono organizzate lungo gradienti ambientali principalmente collegati altitudine, latitudine, temperatura dell’acqua e conducibilità. Anche la tipologia di sorgente (elocrena, reocrena o limnocrena) è influente sulla composizione delle comunità. La presenza di specie rare ed endemiche inoltre caratterizza specifiche regioni geografiche.

Different routes to pure food allergens: extraction, recombinant techniques and total chemical synthesis for obtaining the plant-food pan-allergen LTP

La richiesta di allergeni puri è in continuo aumento per scopi diagnostici, come standard per metodi di rilevamento e di quantificazione, per l'immunoterapia e per lo studio a livello molecolare dei meccanismi delle reazioni allergiche, al fine di facilitare lo sviluppo di possibili cure. In questa tesi di dottorato sono descritte diverse strategie per l’ottenimento di forme pure di non-specific Lipid Transfer Proteins (nsLTPs), le quali sono state riconosciute essere rilevanti allergeni alimentari in molti frutti e verdure comunemente consumati e sono state definite come modello di veri allergeni alimentari. Una LTP potenzialmente allergenica, non nota in precedenza, è stata isolata dalle mandorle, mentre una LTP dall’allergenicità nota contenuta nelle noci è stata prodotta mediante tecniche di DNA ricombinante. Oltre a questi approcci classici, metodi per la sintesi chimica totale di proteine sono stati applicati per la prima volta alla produzione di un allergene, utilizzando Pru p 3, la LTP prototipica e principale allergene della pesca nell'area mediterranea, come modello. La sintesi chimica totale di proteinepermette di controllarne completamente la sequenza e di studiare la loro funzione a livello atomico. La sua applicazione alla produzione di allergeni costituisce perciò un importante passo avanti nel campo della ricerca sulle allergie alimentari. La proteina Pru p 3 è stata prodotta nella sua intera lunghezza e sono necessari solo due passaggi finali di deprotezione per ottenere il target nella sua forma nativa. Le condizioni sperimentali per tali deprotezioni sono state messe a punto durante la produzione dei peptidi sPru p 3 (1-37) e sPru p 3 (38-91), componenti insieme l'intera proteina. Tecniche avanzate di spettrometria di massa sono state usate per caratterizzare tutti i composti ottenuti, mentre la loro allergenicità è stata studiata attraverso test immunologici o approcci in silico.

S. cerevisiae as a model for studying mutations in the human gene OPA1 associated with dominant optic atrophy and for drug discovery

L’atrofia ottica dominante (ADOA) è una malattia mitocondriale caratterizzata da difetti visivi, che si manifestano durante l’infanzia, causati da progressiva degenerazione delle cellule gangliari della retina (RGC). ADOA è una malattia genetica associata, nella maggior parte dei casi, a mutazioni nel gene OPA1 che codifica per la GTPasi mitocondriale OPA1, appartenente alla famiglia delle dinamine, principalmente coinvolta nel processo di fusione mitocondriale e nel mantenimento del mtDNA. Finora sono state identificate più di 300 mutazioni patologiche nel gene OPA1. Circa il 50% di queste sono mutazioni missenso, localizzate nel dominio GTPasico, che si pensa agiscano come dominanti negative. Questa classe di mutazioni è associata ad una sindrome più grave nota come “ADOA-plus”. Nel lievito Saccharomyces cerevisiae MGM1 è l’ortologo del gene OPA1: nonostante i due geni abbiano domini funzionali identici le sequenze amminoacidiche sono scarsamente conservate. Questo costituisce una limitazione all’uso del lievito per lo studio e la validazione di mutazioni patologiche nel gene OPA1, infatti solo poche sostituzioni possono essere introdotte e studiate nelle corrispettive posizioni del gene di lievito. Per superare questo ostacolo è stato pertanto costruito un nuovo modello di S. cerevisiae, contenente il gene chimerico MGM1/OPA1, in grado di complementare i difetti OXPHOS del mutante mgm1Δ. Questo gene di fusione contiene una larga parte di sequenza corrispondente al gene OPA1, nella quale è stato inserito un set di nuove mutazioni trovate in pazienti affetti da ADOA e ADOA-plus. La patogenicità di queste mutazioni è stata validata sia caratterizzando i difetti fenotipici associati agli alleli mutati, sia la loro dominanza/recessività nel modello di lievito. A tutt’oggi non è stato identificato alcun trattamento farmacologico per la cura di ADOA e ADOA-plus. Per questa ragione abbiamo utilizzato il nostro modello di lievito per la ricerca di molecole che agiscono come soppressori chimici, ossia composti in grado di ripristinare i difetti fenotipici indotti da mutazioni nel gene OPA1. Attraverso uno screening fenotipico high throughput sono state testate due differenti librerie di composti chimici. Questo approccio, noto con il nome di drug discovery, ha permesso l’identificazione di 23 potenziali molecole attive.

Efficacy and Safety of Ticagrelor for Long-term Secondary Prevention of Atherothrombotic Events in Relation to Renal Function: Insights from the PEGASUS TIMI-54 trial

Aims: We evaluated the relationship of renal function and ischaemic and bleeding risk as well as the efficacy and safety of the P2Y12 platelet receptor inhibitor ticagrelor in stable patients with prior myocardial infarction (MI). Methods & Results: Patients with a history of MI 1-3 years prior from the Prevention of Cardiovascular Events in Patients with Prior Heart Attack Using Ticagrelor Compared to Placebo on a Background of Aspirin (PEGASUS)-TIMI 54 were stratified based on estimated glomerular filtration rate (eGFR), with<60 ml/min/1.73m2 prespecified for analysis of the effect of ticagrelor on the primary efficacy composite of cardiovascular death, MI, or stroke (MACE) and the primary safety endpoint of TIMI major bleeding. Of 20,898 patients, those with eGFR<60 (N=4,849, 23.2%) had a greater risk of MACE at 3 years relative to those without, which remained significant after multivariable adjustment (HRadj 1.54, 95% CI 1.27–1.85, p<0.001). The relative risk reduction in MACE with ticagrelor was similar in those with eGFR<60 (ticagrelor pooled vs. placebo: HR 0.81; 95% CI 0.68–0.96) vs. ≥60 (HR 0.88; 95% CI 0.77–1.00, pinteraction=0.44). However, due to the greater absolute risk in the former group, the absolute risk reduction with ticagrelor was higher: 2.7% vs. 0.63%. Bleeding tended to occur more frequently in patients with renal dysfunction. The absolute increase in TIMI major bleeding with ticagrelor was similar in those with and without eGFR<60 (1.19% vs. 1.43%), whereas the excess of minor bleeding tended to be more pronounced (1.93% vs. 0.69%). Conclusion: In patients with a history of MI, patients with renal dysfunction are at increased risk of MACE and consequently experience a particularly robust absolute risk reduction with long-term treatment with ticagrelor.

Isolation, characterization and discovery of new alleles of sHsp genes in durum wheat (Triticum durum Desf.)

Gli organismi vegetali mostrano una notevole capacità di adattamento alle condizioni di stress e lo studio delle componenti molecolari alla base dell'adattamento in colture cerealicole di interesse alimentare, come il frumento, è di particolare interesse per lo studio di varietà che consentano una buona produzione con basso input anche in condizioni ambientali non ottimali. L'esposizione delle colture cerealicole a stress termico durante determinate fasi del ciclo vitale influisce negativamente sulla resa e sulla qualità, a questo fine è necessario chiarire le basi genetiche e molecolari della termotolleranza per identificare geni e alleli vantaggiosi da impiegare in programmi di incrocio volti al miglioramento genetico. Numerosi studi dimostrano il coinvolgimento delle sHSP a localizzazione cloroplastica (in frumento sHSP26) nel meccanismo di acquisizione della termotolleranza e la loro interazione con diverse componenti del fotosistema II (PSII) che determinerebbe un’azione protettiva in condizioni di stress termico e altri tipi di stress. Lo scopo del progetto è quello di caratterizzare in frumento duro nuove varianti alleliche correlate alla tolleranza a stress termico mediate l'utilizzo del TILLING (Target Induced Local Lesion In Genome), un approccio di genetica inversa che prevede la mutagenesi e l'identificazione delle mutazioni indotte in siti di interesse. Durante la tesi sono state isolate e caratterizzate 3 sequenze geniche complete per smallHsp26 denominate TdHsp26-A1; TdHsp26-A2; TdHsp26-B1 e un putativo pseudogene denominato TdHsp26-A3. I geni isolati sono stati usati come target in analisi di TILLING in due popolazioni di frumento duro mutagenizzate con EMS (EtilMetanoSulfonato). Nel nostro studio sono stati impiegati due differenti approcci di TILLING: un approccio di TILLING classico mediante screening con High Resolution Melting (HRM) e un approccio innovativo che sfrutta un database di TILLING recentemente sviluppato. La popolazione di mutanti cv. Kronos è stata analizzata per la presenza di mutazioni in tutti e tre i geni individuati mediante ricerca online nel database di TILLING, il quale sfrutta la tecnica dell’exome capture sulla popolazione di TILLING seguito da sequenziamento ad alta processività. Attraverso questa tecnica sono state individuate, nella popolazione mutagenizzata di frumento duro cv. Kronos, 36 linee recanti mutazioni missenso. Contemporaneamente lo screening con HRM, effettuato su 960 genotipi della libreria di TILLING di frumento duro cv. Cham1 ha consentito di individuare mutazioni in una regione di 211bp di interesse funzionale del gene TdHsp26-B1, tra le quali 3 linee mutanti recanti mutazioni missenso in omozigosi. Alcune mutazioni missenso individuate sui due geni TdHsp26-A1 e TdHsp26-B1 sono state confermate in vivo nelle piante delle rispettive linee mutanti generando marcatori codominanti KASP (Kompetitive Allele Specific PCR) con cui è stato possibile verificare anche il grado di zigosità di tali mutazioni. Al fine di ridurre il numero di mutazioni non desiderate nelle linee risultate più interessanti, è stato eseguito il re-incrocio dei mutanti con i relativi parentali wild type ed inoltre sono stati generati alcuni doppi mutanti che consentiranno di comprendere meglio i meccanismi molecolari presieduti da questa classe genica. Gli individui F1 degli incroci sono stati poi genotipizzati con i medesimi marcatori KASP specifici per la mutazione di interesse per verificare la buona riuscita dell’incrocio. Questo approccio ha permesso di individuare ed implementare risorse genetiche utili ad intraprendere studi funzionali relativi al ruolo di smallHSP plastidiche implicate nella acquisizione di termotolleranza in frumento duro e di generare marcatori potenzialmente utili in futuri programmi di breeding.

Verso un luppolo italiano: analisi metabolomica e caratterizzazione fitochimica di ecotipi di Humulus lupulus L. del Nord Italia

La presente tesi di dottorato ha riguardato l'indagine fitochimica della biodiversità spontanea di Humulus lupulus L. in Emilia Romagna e la valutazione degli effetti del clima dell'Italia settentrionale sul metabolismo secondario di cultivar di luppolo. In particolare, lo studio ha previsto l'individuazione di ecotipi di luppolo provenienti da zone planiziali e collinari di'Emilia Romagna e Lombardia, la loro messa a dimora in un campo collezione appositamente allestito, e il monitoraggio della resa di campo e della produzione di metaboliti secondari di natura polare (acilfluoroglucinoli, flavonidi isoprenilati) e apolare (terpeni e sequiterpeni). Gli obiettivi primari sono stati la valutazione di entità da portare direttamente in coltivazione o da introdurre in percorsi di breeding del luppolo in Italia, oltre all'ottimizzazione di metodi innovativi per lo screening dell'intero germoplasma italiano. Per definire le caratteristiche fitochimiche dei coni di luppolo sono stati messi a punto metodi cromatografici HPLC-UV, HPLC-MS/MS e GC-MS e metodi spettroscopici 1H-NMR. Nel corso del triennio i metodi sono stati applicati a 10 cultivar e oltre 30 ecotipi , alcuni dei quali hanno fornito dati anche a conclusione dell'intero periodo di acclimatazione. Per tutti si è anche verificata la resilienza alle diverse condizioni climatiche incontrate Le analisi chimiche hanno permesso di individuare una sostanziale differenza tra gli ecotipi e le cultivar, con i primi che si caratterizzano per una produzione modesta di α-acidi e β-acidi e un profilo aromatico ricco di isomeri del selinene. Questo risultato può essere interessante per l’industria della birra nazionale e in particolare per il settore dei microbirrifici artigianali, in quanto i luppoli più pregiati sono proprio quelli con un basso contenuto di acidi amari e ricchi di oli essenziali che possano impartire alle birre prodotte note aromatiche particolari e legate al territorio. L’indagine agronomica monitorata su tre anni di produzione ha anche fatto emergere la resistenza degli ecotipi italiani al clima caldo e siccitoso e ha evidenziato invece come le cultivar estere abbiano limiti fisiologici a queste condizioni. Confrontando il profilo fitochimico delle cultivar coltivate in Italia con i prodotti acquistati nei paesi d’origine è emerso che il metabolismo secondario per alcune cultivar è particolarmente differente, come nel caso della cultivar Marynka, che rispetto agli standard commerciali ha prodotto in Italia coni ricchi di oli essenziali con alte quantità di trans-β-farnesene, cambiandone le caratteristiche da varietà amaricante ad aromatica. I risultati ottenuti dimostrano la fattibilità della coltivazione di Humulus lupulus L. sul territorio nazionale con ottime prospettive di produttività per gli ecotipi italiani. Inoltre da questi primi risultati è ora possibile intraprendere un programma di breeding per la creazione di nuove varietà, più resistenti al caldo e con le caratteristiche desiderate in base all’utilizzo del prodotto, sia per quanto riguarda l’industria della birra, sia la cosmetico-farmaceutica per la produzione di estratti.

STUDIO DEI MECCANISMI DI RISPOSTA ALLA SALINITA’ IN SPECIE ENDEMICHE LIGURI

Gli obiettivi della presente ricerca sono stati l’identificazione di un protocollo per la conservazione ex situ e lo studio delle risposte fisiologiche allo stress salino di due specie endemiche della regione Liguria, di particolare interesse poiché protette e a rischio d’estinzione. Sia il Limonium cordatum che il Convolvulus sabatius vivono in condizioni naturali particolari, infatti, sono costantemente esposte agli aerosol marini, che presentano elevate concentrazioni di NaCl, per tali ragioni si è cercato di comprendere quali fossero i meccanismi di risposta delle due specie allo stress salino; da ultimo, se presentassero risposte simili, visto l’habitat comune che condividono. Per capire in modo più approfondito le risposte fisiologiche delle due piante, è stato anche preso in considerazione l’habitat naturale per cogliere eventuali differenze nella zona di crescita, per esempio maggiore e/o minore esposizione agli spruzzi marini di una piuttosto che dell’altra. Per il raggiungimento di tali obiettivi si è proceduto con: •L’utilizzo della coltura in vitro per comprendere i meccanismi responsabili della tolleranza e/o dell’adattamento allo stress salino, che ha permesso di confrontare le due specie in un ambiente controllato con la sola variabile della concentrazione salina. Per valutare tali risposte si sono effettuate delle indagini morfologiche, istologiche e fisiologiche; • L’identificazione delle condizioni ambientali migliori per la possibile reintroduzione, sia con l’uso della coltura in vitro, che ha permesso di stabilire il valore soglia di tolleranza della concentrazione di NaCl di entrambe le specie, che con sopralluoghi in loco, per individuare eventuali situazioni differenti tra le due specie, che giustificassero risposte diverse tra di esse. Nel caso del Convolvulus sabatius, essendo il suo areale di crescita più limitato e, volendo quindi approfondire le condizioni ambientali naturali di crescita, si è provveduto a simulare l’habitat autoctono con prove in vivo.

Nanotossicologia dei quantum dot di CdS in linee cellulari umane

Le nanotecnologie sono un settore emergente in rapida crescita, come dimostra l'esplosione del mercato dei prodotti ad esso collegati. I quantum dot di cadmio solfuro (CdS QD) sono ampiamente utilizzati per la produzione di materiali semiconduttori e dispositivi optoelettronici; tuttavia, non sono ancora completamente chiari gli effetti di questi nanomateriali sulla salute umana. Questo lavoro di dottorato si pone l'obbiettivo di definire il potenziale citotossico e genotossico dei CdS QD in linee cellulari umane e definirne il meccanismo implicato. A questo scopo, essendo il fegato uno dei principali organi di accumulo del cadmio e dei nanomateriali a base di cadmio, è stata utilizzata la linea cellulare HepG2 derivante da un epatocarcinoma umano. È stato evidenziato, in seguito all'assorbimento, da parte delle cellule, dei CdS QD, un effetto citotossico, con conseguente modulazione dell'espressione genica di una serie di geni coinvolti sia nei processi di rescue (autofagia, risposta allo stress) sia in quelli di morte cellulare programmata. È stato, inoltre, dimostrata l'assenza di un rilevante effetto genotossico dipendente da questi nanomateriali. Infine, è stato osservato che cellule esposte ai CdS QD presentano mitocondri con un potenziale di membrana alterato, con conseguente alterazione della funzionalità di tale organello, pur conservando l'integrità del DNA mitocondriale.

Evoluzione di micotossine regolate ed emergenti attraverso i processi alimentari: dal campo alla digestione

Nel presente lavoro di tesi sono stati studiati diversi aspetti riguardanti micotossine regolate ed emergenti al fine di fornire informazioni circa la loro mitigazione dal campo al prodotto finito, focalizzando l’attenzione sul potenziale impatto del processo tecnologico. Successivamente, il loro ruolo tossicologico, ancora in discussione, è stato indagato attraverso l’applicazione di modelli gastrointestinali. In particolare, lo studio è stato rivolto a DON, micotossina più comune nel grano, DON-3-Glc, che rappresenta la sua principale forma modificata, e alla micotossina ENN B, maggiore rappresentante tra il gruppo delle cosiddette micotossine “emergenti”. Questo studio è stato quindi suddiviso in tre sezioni. La prima è stata rivolta allo sviluppo di esperimenti in serra effettuati su diversi genotipi di grano duro al fine di comprendere meglio il meccanismo di detossificazione dal DON e la resistenza delle diverse varietà ad una delle malattie più gravi che colpiscono questa specie (fusariosi della spiga). La seconda sezione ha riguardato lo studio del reale impatto di alcune filiere di produzione strategiche sul contenuto finale in micotossine. Inoltre, una strategia di mitigazione è stata messa a punto tenendo conto del possibile sviluppo di altri contaminanti legati al processo stesso e ottenendo un prodotto finito adeguato per il consumatore. Nell'ultima sezione di questo lavoro sono invece state effettuate delle indagini circa i possibili risvolti tossicologici di questi composti, valutando il loro destino durante la digestione umana.