Effects of cation substitutions on the physical properties of M2M1T2O6 pyroxenes

In this PhD study, the effects of the cation substitutions on the physical properties of pyroxenes have been discussed. The results of this work extend the knowledge on pyroxenes with different chemical compositions. These properties might be used in the development of ceramic pigments, advanced materials and for the mineralogical phase identification. First of all, the crystallographic differences between Ge and Si pyroxenes have been examined. The structure of C2/c Ca rich Ge clinopyroxenes is very close to the low pressure C2/c structural configuration found in Ca-rich Si-pyroxenes. The shear of the unit cell is very similar, and the difference between a Ge end member and the corresponding Si-rich one is less than 1°. Instead, a remarkable difference exists between Ca-poor Si and Ge clinopyroxenes. First, Ca-poor Ge pyroxenes do not display a P21/c symmetry, but retain the C2/c symmetry; second, the observed C2/c structure shows, at room pressure, the configuration with highly kinked tetrahedral chains characteristic of the high pressure C2/c symmetry of Si Ca-poor pyroxenes. In orthopyroxenes, with Pbca symmetry, Ge-pyroxenes have volume larger than Si-pyroxenes. Samples along the system CaCoGe2O6 - CoCoGe2O6 have been synthesized at three different temperatures: 1050 °C, 1200 °C and 1250 °C. The aim of these solid state syntheses was to obtain a solid solution at ambient pressure, since the analogues Si-system needs high pressure. Unfortunately, very limited solution occurs because the structure forms of the two end member (high temperature for CaCoGe2O6 and high pressure CoCoGe2O6) are incompatible. The phase diagram of this system has been sketched and compared to that of Si. The cobalt end member (CoCoGe2O6) is stable at ambient pressure in two symmetries: at 1050 °C C2/c and 1200 °C Pbca. The impurity phase formed during these experiments is cobalt spinel. Raman spectroscopy has been used to investigate the vibrational properties of Ca-pyroxenes CaCoGe2O6, CaMgGe2O6, CaMgSi2O6 and CaCoSi2O6. A comparison between silicate and germanate pyroxenes shows significant changes in peak positions of the corresponding modes caused mainly by the difference of the Ge-Si atomic weight along with the distortion and compression of the coordination polyhedra. Red shift in Raman spectra of germanates has been calculated by a rough scale factor calculated by a simple harmonic oscillator model, considering the different bond lengths for 4-coordinated Si ~ 1.60- 1.65 Å vs Ge–O distance ~1.70 - 1.80 Å. The Raman spectra of CaMgGe2O6 and CaCoGe2O6 have been classified, in analogy with silicate (Wang et al., 2001) counterparts, in different ranges: - R1 (880-640 cm-1): strong T-O stretching modes of Ge and non-bridging O1 and O2 atoms within the GeO4 tetrahedron; - R2 (640-480 cm-1): stretching/bending modes of Ge-Obr-Ge bonds (chain stretching and chain bending); - R4 (480-360 cm-1): O-Ge-O vibrations; - R3 (360-240 cm-1): motions of the cations in M2 and M1 sites correlated with tetrahedral chain motion and tilting tetrahedra; - R5 (below 240 cm-1): lattice modes. The largest shift with respect to CaMgSi2O6 - CaCoSi2O6 is shown by the T-O stretching and chain modes. High-pressure Raman spectroscopy (up to about 8 GPa) on the same samples of Ca-pyroxenes using an ETH-type diamond anvil cell shows no phase transition within the P-ranges investigated, as all the peak positions vary linearly as a function of pressure. Our data confirm previous experimental findings on Si-diopside (Chopelas and Serghiou, 2000). In the investigated samples, all the Raman peaks shift upon compression, but the major changes in wavenumber with pressure are attributed to the chain bending (Ge-Obr-Ge bonds) and tetrahedra stretching modes (Ge-Onbr). Upon compression, the kinking angle, the bond lengths and T-T distances between tetrahedra decrease and consequently the wavenumber of the bending chain mode and tetrahedra stretching mode increases. Ge-pyroxenes show the higher P-induced peak-position shifts, being more compressible than corresponding silicates. The vibrational properties of CaM2+Ge2O6 (M2+ =Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Zn) are reported for the first time. The wavenumber of Ge-Obr-Ge bending modes decreases linearly with increasing ionic radius of the M1 cation. No simple correlation has been found with M1 atomic mass or size or crystallographic parameters for the peak at ~850 cm-1 and in the low wavenumber regions. The magnetic properties of the system CaCoSi2O6 - CoCoSi2O6 have been investigated by magnetometry. The join is always characterized by 1 a.p.f.u. of cobalt in M1 site and this causes a pure collinear antiferromagnetic behaviour of the intra-chain superexchange interaction involving Co ions detected in all the measurements, while the magnetic order developed by the cobalt ions in M2 site (intra-chain) is affected by weak ferromagnetism, due to the non-collinearity of their antiferromagnetic interaction. In magnetically ordered systems, this non-collinearity effect promotes a spin canting of anti-parallel aligned magnetic moments and thus is a source of weak ferromagnetic behaviour in an antiferromagnetic. The weak ferromagnetism can be observed only for the samples with Co content higher than 0.5 a.p.f.u. in M2, when the concentration is sufficiently high to create a long range order along the M2 chain which is magnetically independent of M1 chain. The ferromagnetism was detected both in the M(T) at 10 Oe and M(H).

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.

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.