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.

Utilità e limiti della diagnosi di patologie polmonari e pleuriche asbesto-correlate

L’apparato respiratorio rappresenta il bersaglio di numerose sostanze tossiche aerodisperse che rivestono un ruolo chiave nella patogenesi della maggior parte delle patologie polmonari e pleuriche, sia benigne che maligne. Nonostante per alcune di esse siano noti specifici fattori di rischio, le sole attività di prevenzione primaria non sono sufficienti a limitarne la diffusione. Si rende quindi necessario attuare adeguate misure di prevenzione secondaria per la diagnosi di malattie potenzialmente curabili allo stadio iniziale, in modo da aumentare l’efficacia dei trattamenti terapeutici e le possibilità di guarigione. Un approccio non invasivo per lo studio dei meccanismi fisiopatologici alla base delle patologie polmonari e pleuriche potrebbe essere effettuato anche con nuove metodiche (es. naso elettronico), al fine di identificare e validare nuovi biomarcatori per un più specifico approccio diagnostico. Il lavoro scientifico ha riguardato inizialmente l’identificazione di un indicatore o di un gruppo di indicatori dotati di potere diagnostico sufficientemente elevato per poter discriminare precocemente, nell’ambito di soggetti con pregressa esposizone ad asbesto, patologie benigne, sia polmonari che pleuriche, da patologie maligne. Successivamente l’attenzione è stata rivolta alla diagnosi precoce di patologie neoplastiche a carico del solo parenchima polmonare, valutando il potere discriminante di un pattern di composti organici volatili (VOCs, tra cui pentano, 2-metilpentano, esano, etilbenzene, eptanale e trans-2-nonenale) raccolti con metodiche non invasive e dotati di potere diagnostico tale da discriminare patologie benigne da patologie maligne potenzialmente curabili in soggetti ad alto rischio di sviluppare cancro del polmone. Infine abbiamo tentato di ottimizzare i parametri di impostazione e raccolta di un nuovo strumento: il naso elettronico. Su di esso esistono alcuni lavori in letteratura in cui ne vengono descritte le potenzialità in ambito diagnostico per il riconoscimento di specifici pattern suggestivi di patologie polmonari, sia flogistiche (TBC, BPCO) che neoplastiche (mesotelioma, NSCLC). Purtroppo nessuno di questi lavori definisce le condizioni ottimali di utilizzo, i limiti dello strumento e le interferenze di fattori ambientali e soggettivi riguardo al segnale elaborato. Il lavoro si è concentrato soprattutto sull’indagine delle condizioni ottimali di utilizzo e sull’eventuale condizionamento del segnale da parte di determinate variabili ambientali (es. umidità) o individuali (es. fumo, cibo, alcol).

Biochemical characterization and DNA binding properties of the MocR family member GabR, a PLP-dependent transcription factor

GabR è un fattore di trascrizione chimerico appartenente alla famiglia dei MocR/GabR, costituito da un dominio N-terminale elica-giro-elica di legame al DNA e un dominio effettore e/o di oligomerizzazione al C-terminale. I due domini sono connessi da un linker flessibile di 29 aminoacidi. Il dominio C-terminale è strutturalmente omologo agli enzimi aminotransferasici fold-type I, i quali, utilizzando il piridossal-5’-fosfato (PLP) come cofattore, sono direttamente coinvolti nel metabolismo degli aminoacidi. L’interazione contemporanea di PLP e acido γ-aminobutirrico (GABA) a GabR fa sì che questa promuova la trascrizione di due geni, gabT e gabD, implicati nel metabolismo del GABA. GabR cristallizza come un omodimero con una configurazione testa-coda. Il legame con la regione promotrice gabTD avviene attraverso il riconoscimento specifico di due sequenze dirette e ripetute (ATACCA), separate da uno spacer di 34 bp. In questo studio sono state indagate le proprietà biochimiche, strutturali e di legame al DNA della proteina GabR di Bacillus subtilis. L’analisi spettroscopica dimostra che GabR interagisce con il PLP formando l’aldimina interna, mentre in presenza di GABA si ottiene l’aldimina esterna. L’interazione fra il promotore gabTD e le forme holo e apo di GabR è stata monitorata mediante Microscopia a Forza atomica (AFM). In queste due condizioni di legame è stata stimata una Kd di circa 40 ηM. La presenza di GABA invece, determinava un incremento di circa due volte della Kd, variazioni strutturali nei complessi GabR-DNA e una riduzione del compattamento del DNA alla proteina, indipendentemente dalla sequenza del promotore in esame. Al fine di valutare il ruolo delle caratteristiche topologiche del promotore, sono state inserite cinque e dieci bp all’interno della regione spacer che separa le due sequenze ripetute dirette riconosciute da GabR. I significativi cambiamenti topologici riscontrati nel frammento aggiunto di cinque bp si riflettono anche sulla forte riduzione dell’affinità di legame verso la proteina. Al contrario, l’inserzione di 10 bp provoca solamente l’allontanamento delle sequenze ripetute dirette. L’assenza quindi di cambiamenti significativi nella topologia di questo promotore fa sì che l’affinità di legame per GabR rimanga pressoché inalterata rispetto al promotore non mutato. L’analisi del potenziale elettrostatico superficiale di GabR mostra la presenza di una fascia carica positivamente che si estende lungo un’intera faccia della proteina. Per verificare l’importanza di questa caratteristica di GabR nel meccanismo di interazione al DNA, sono stati preparati ed indagati i mutanti R129Q e K362-366Q, in cui la carica positiva superficiale risultava indebolita. L’affinità di legame dei mutanti di GabR per il DNA era inferiore rispetto alla proteina non mutata, in particolar modo nel mutante K362-366Q. Le evidenze acquisite suggeriscono che la curvatura intrinseca del promotore ed il corretto orientamento delle sequenze sulla doppia elica, più della distanza che le separa, siano critici per sostenere l’interazione con GabR. Oltre a questo, la superficie positiva di GabR è richiesta per accomodare la curvatura del DNA sul corpo della proteina. Alla luce di questo, l’interazione GabR-gabTD è un esempio di come il riconoscimento specifico di sequenze, la topologia del DNA e le caratteristiche strutturali della proteina siano contemporaneamente necessarie per sostenere un’interazione proteina-DNA stabile.

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.