Intermolecular and Intramolecular Charge Transfer in Functional Molecular Materials

This thesis is devoted to the investigation of inter and intramolecular charge transfer (CT) in molecular functional materials and specifically organic dyes and CT crystals. An integrated approach encompassing quantum-chemical calculations, semiempirical tools, theoretical models and spectroscopic measurements is applied to understand structure-property relationships governing the low-energy physics of these materials. Four main topics were addressed: 1) Spectral properties of organic dyes. Charge-transfer dyes are constituted by electron donor (D) and electron acceptor (A) units linked through bridge(s) to form molecules with different symmetry and dimensionality. Their low-energy physics is governed by the charge resonance between D and A groups and is effectively described by a family of parametric Hamiltonians known as essential-state models. These models account for few electronic states, corresponding to the main resonance structures of the relevant dye, leading to a simple picture that is completed introducing the coupling of the electronic system to molecular vibrations, treated in a non-adiabatic way, and an effective classical coordinate, describing polar solvation. In this work a specific essential-state model was proposed and parametrized for the dye Brilliant Green. The central issue in this work has been the definition of the diabatic states, a not trivial task for a multi-branched chromophore. In a second effort, we have used essential-state models for the description of the early-stage dynamics of excited states after ultrafast excitation. Crucial to this work is the fully non-adiabatic treatment of the coupled electronic and vibrational motion, allowing for a reliable description of the dynamics of systems showing a multistable, broken-symmetry excited state. 2) Mixed-stack CT salts. Mixed-stack (MS) CT crystals are an interesting class of multifunctional molecular materials, where D and A molecules arrange themselves to form stacks, leading to delocalized electrons in one dimension. The interplay between the intermolecular CT, electrostatic interactions, lattice phonons and molecular vibrations leads to intriguing physical properties that include (photoinduced) phase transitions, multistability, antiferromagnetism, ferroelectricity and potential multiferroicity. The standard microscopic model to describe this family of materials is the Modified Hubbard model accounting for electron-phonon coupling (Peierls coupling), electron-molecular vibrations coupling (Holstein coupling) and electrostatic interactions. We adopt and validate a method, based on DFT calculations on dimeric DA structures, to extract relevant model parameters. The approach offers a powerful tool to shed light on the complex physics of MS-CT salts. 3) Charge transfer in organic radical dipolar dyes. In collaboration with the group of Prof. Jaume Veciana (ICMAB- Barcellona), we have studied spectral properties of a special class of CT dyes with D-bridge-A structure where the acceptor group is a stable radical (of the perchlorotriphenylmethyl, PTM, family), leading to an open-shell CT dyes. These materials are of interest since they associate the electronic and optical properties of CT dyes with magnetic properties from the unpaired electron. The first effort was devoted to the parametrization of the relevant essential-state model. Two strategies were adopted, one based on the calculation of the low-energy spectral properties, the other based on the variation of ground state properties with an applied electric field. 4) The spectral properties of organic nanoparticles based on radical species are investigated in collaboration with Dr. I. Ratera (ICMAB- Barcellona). Intriguing spectroscopic behavior was observed pointing to the presence of excimer states. In an attempt to rationalize these findings, extensive calculations (TD-DFT and ZINDO) were performed. The results for the isolated dyes are validated against experimental spectra in solution. To address intermolecular interactions we studied dimeric structures in the gas phase, but the preliminary results obtained do not support excimer formation.

Identification and characterization of periplasmic proteins implicated in the adaptation of Helicobacter pylori to the human gastric niche

Helicobacter pylori è un batterio Gram-negativo in grado di colonizzare la mucosa gastrica umana e persistere per l'intero arco della vita dell'ospite. E' associato a patologie gastrointestinali, quali gastrite cronica, ulcere gastriche e duodenali, adenocarcinomi e linfomi gastrici. Si tratta di uno dei patogeni più diffusi, presente in circa metà della popolazione mondiale, e il solo che si è adattato a vivere nell'ambiente ostile dello stomaco umano. Molteplici sono i fattori di virulenza che permettono al batterio la colonizzazione della nicchia gastrica e contribuiscono, anche attraverso l' induzione di una risposta infiammatoria, a profonde modificazioni dell' omeostasi gastrica. Queste ultime si associano, ad esempio, all'iperproduzione di fattori proinfiammatori, ad alterazioni sia della regolazione della secrezione acida gastrica sia del ciclo cellulare e della morte cellulare programmata (apoptosi) delle cellule epiteliali gastriche, a disordini nel metabolismo del ferro e a carenze di elementi essenziali. Studi sulla diversità genetica di H. pylori osservata in ceppi isolati da varie regioni del mondo, dimostrano che tale batterio ha avuto una coevoluzione col genere umano attraverso la storia, ed è verosimile che H. pylori sia stato un costituente del microbiota gastrico per almeno 50.000 anni. Scopo della tesi è stato quello di identificare e caratterizzare proteine importanti per la colonizzazione e l'adattamento di H. pylori alla nicchia gastrica. In particolare gli sforzi si sono concentrati su due proteine periplasmatiche, la prima coinvolta nella difesa antiossidante (l'enzima catalasi-like, HP0485), e la seconda nel trasporto di nutrienti presenti nell'ambiente dello stomaco all'interno della cellula (la componente solubile di un ABC transporter, HP0298). La strategia utilizzata prevede un'analisi bioinformatica preliminare, l'ottenimento del gene per amplificazione, mediante PCR, dal genoma dell'organismo, la costruzione di un vettore per il clonaggio, l'espressione eterologa in E. coli e la successiva purificazione. La proteina così ottenuta viene caratterizzata mediante diverse tecniche, quali spettroscopia UV, dicroismo circolare, gel filtrazione analitica, spettrometria di massa. Il capitolo 1 contiene un'introduzione generale sul batterio, il capitolo 2 e il capitolo 3 descrivono gli studi relativi alle due proteine e sono entrambi suddivisi in un abstract iniziale, un'introduzione, la presentazione dei risultati, la discussione di questi ultimi, i materiali e i metodi utilizzati. La catalasi-like (HP0485) è una proteina periplasmatica con struttura monomerica, appartenente ad una famiglia di enzimi a funzione per la maggior parte sconosciuta, ma evolutivamente correlati alla ben nota catalasi, attore fondamentale nella difesa di H. pylori, grazie alla sua azione specifica di rimozione dell'acqua ossigenata. HP0485, pur conservando il fold catalasico e il legame al cofattore eme, non può compiere la reazione di dismutazione dell'acqua ossigenata; possiede invece un'attività perossidasica ad ampio spettro, essendo in grado di accoppiare la riduzione del perossido di idrogeno all'ossidazione di diversi substrati. Come la catalasi, lavora ad alte concentrazioni di aqua ossigenata e non arriva a saturazione a concentrazioni molto elevate di questo substrato (200 mM); la velocità di reazione catalizzata rimane lineare anche a questi valori, aspetto che la differenzia dalle perossidasi che vengono in genere inattivate da concentrazioni di perossido di idrogeno superiori a 10-50 mM. Queste caratteristiche di versatilità e robustezza suggeriscono che la catalasi-like abbia un ruolo di scavenger dell'acqua ossigenata e probabilmente anche un'altra funzione connessa al suo secondo substrato, ossia l'ossidazione di composti nello spazio periplasmatico cellulare. Oltre alla caratterizzazione dell'attività è descritta anche la presenza di un ponte disolfuro, conservato nelle catalasi-like periplasmatiche, con un ruolo nell'assemblaggio dell'eme per ottenere un enzima attivo e funzionale. La proteina periplasmatica HP0298, componente di un sistema di trasporto ABC, è classificata come trasportatore di dipeptidi e appartiene a una famiglia di proteine in grado di legare diversi substrati, tra cui di- e oligopeptidi, nichel, eme, glutatione. Benchè tutte associate a trasportatori di membrana batterici, queste proteine presentano un dominio di legame al substrato che risulta essere conservato nei domini extracellulari di recettori specifici di mammifero e uomo. Un esempio sono i recettori ionotropici e metabotropici del sistema nervoso. Per caratterizzare questa proteina è stato messo a punto un protocollo di ligand-fishing accoppiato alla spettrometria di massa. La proteina purificata, avente un tag di istidine, è stata incubata con un estratto cellulare di H. pylori per poter interagire con il suo substrato specifico all'interno dell'ambiente naturale in cui avviene il legame. Il complesso proteina-ligando è stato poi purificato per cromatografia di affinità e analizzato mediante HPLC-MS. L'identificazione dei picchi differenziali tra campioni con la proteina e 5 campioni di controllo ha portato alla caratterizzazione di pentapeptidi particolarmente ricchi in aminoacidi idrofobici e con almeno un residuo carico negativamente. Considerando che H. pylori necessita di alcuni aminoacidi essenziali, per la maggior parte idrofobici, e che lo stomaco umano è particolarmente ricco di peptidi prodotti dalla digestione delle proteine introdotte con il cibo, il ruolo fisiologico di HP0298 potrebbe essere l'internalizzazione di peptidi, con caratteristiche specifiche di lunghezza e composizione, che sono naturalmente presenti nella nicchia gastrica.