Innovative analytical strategies for the development of sensor devices and mass spectrometry methods

Il lavoro presentato in questa tesi di Dottorato è incentrato sullo sviluppo di strategie analitiche innovative basate sulla sensoristica e su tecniche di spettrometria di massa in ambito biologico e della sicurezza alimentare. Il primo capitolo tratta lo studio di aspetti metodologici ed applicativi di procedure sensoristiche per l’identificazione e la determinazione di biomarkers associati alla malattia celiaca. In tale ambito, sono stati sviluppati due immunosensori, uno a trasduzione piezoelettrica e uno a trasduzione amperometrica, per la rivelazione di anticorpi anti-transglutaminasi tissutale associati a questa malattia. L’innovazione di questi dispositivi riguarda l’immobilizzazione dell’enzima tTG nella conformazione aperta (Open-tTG), che è stato dimostrato essere quella principalmente coinvolta nella patogenesi. Sulla base dei risultati ottenuti, entrambi i sistemi sviluppati si sono dimostrati una valida alternativa ai test di screening attualmente in uso per la diagnosi della celiachia. Rimanendo sempre nel contesto della malattia celiaca, ulteriore ricerca oggetto di questa tesi di Dottorato, ha riguardato lo sviluppo di metodi affidabili per il controllo di prodotti “gluten-free”. Il secondo capitolo tratta lo sviluppo di un metodo di spettrometria di massa e di un immunosensore competitivo per la rivelazione di prolammine in alimenti “gluten-free”. E’ stato sviluppato un metodo LC-ESI-MS/MS basato su un’analisi target con modalità di acquisizione del segnale selected reaction monitoring per l’identificazione di glutine in diversi cereali potenzialmente tossici per i celiaci. Inoltre ci si è focalizzati su un immunosensore competitivo per la rivelazione di gliadina, come metodo di screening rapido di farine. Entrambi i sistemi sono stati ottimizzati impiegando miscele di farina di riso addizionata di gliadina, avenine, ordeine e secaline nel caso del sistema LC-MS/MS e con sola gliadina nel caso del sensore. Infine i sistemi analitici sono stati validati analizzando sia materie prime (farine) che alimenti (biscotti, pasta, pane, etc.). L’approccio sviluppato in spettrometria di massa apre la strada alla possibilità di sviluppare un test di screening multiplo per la valutazione della sicurezza di prodotti dichiarati “gluten-free”, mentre ulteriori studi dovranno essere svolti per ricercare condizioni di estrazione compatibili con l’immunosaggio competitivo, per ora applicabile solo all’analisi di farine estratte con etanolo. Terzo capitolo di questa tesi riguarda lo sviluppo di nuovi metodi per la rivelazione di HPV, Chlamydia e Gonorrhoeae in fluidi biologici. Si è scelto un substrato costituito da strips di carta in quanto possono costituire una valida piattaforma di rivelazione, offrendo vantaggi grazie al basso costo, alla possibilità di generare dispositivi portatili e di poter visualizzare il risultato visivamente senza la necessità di strumentazioni. La metodologia sviluppata è molto semplice, non prevede l’uso di strumentazione complessa e si basa sull’uso della isothermal rolling-circle amplification per l’amplificazione del target. Inoltre, di fondamentale importanza, è l’utilizzo di nanoparticelle colorate che, essendo state funzionalizzate con una sequenza di DNA complementare al target amplificato derivante dalla RCA, ne permettono la rivelazione a occhio nudo mediante l’uso di filtri di carta. Queste strips sono state testate su campioni reali permettendo una discriminazione tra campioni positivi e negativi in tempi rapidi (10-15 minuti), aprendo una nuova via verso nuovi test altamente competitivi con quelli attualmente sul mercato.

An Autonomic Framework for Mobile Cloud Computing

This thesis presents the formal definition of a novel Mobile Cloud Computing (MCC) extension of the Networked Autonomic Machine (NAM) framework, a general-purpose conceptual tool which describes large-scale distributed autonomic systems. The introduction of autonomic policies in the MCC paradigm has proved to be an effective technique to increase the robustness and flexibility of MCC systems. In particular, autonomic policies based on continuous resource and connectivity monitoring help automate context-aware decisions for computation offloading. We have also provided NAM with a formalization in terms of a transformational operational semantics in order to fill the gap between its existing Java implementation NAM4J and its conceptual definition. Moreover, we have extended NAM4J by adding several components with the purpose of managing large scale autonomic distributed environments. In particular, the middleware allows for the implementation of peer-to-peer (P2P) networks of NAM nodes. Moreover, NAM mobility actions have been implemented to enable the migration of code, execution state and data. Within NAM4J, we have designed and developed a component, denoted as context bus, which is particularly useful in collaborative applications in that, if replicated on each peer, it instantiates a virtual shared channel allowing nodes to notify and get notified about context events. Regarding the autonomic policies management, we have provided NAM4J with a rule engine, whose purpose is to allow a system to autonomously determine when offloading is convenient. We have also provided NAM4J with trust and reputation management mechanisms to make the middleware suitable for applications in which such aspects are of great interest. To this purpose, we have designed and implemented a distributed framework, denoted as DARTSense, where no central server is required, as reputation values are stored and updated by participants in a subjective fashion. We have also investigated the literature regarding MCC systems. The analysis pointed out that all MCC models focus on mobile devices, and consider the Cloud as a system with unlimited resources. To contribute in filling this gap, we defined a modeling and simulation framework for the design and analysis of MCC systems, encompassing both their sides. We have also implemented a modular and reusable simulator of the model. We have applied the NAM principles to two different application scenarios. First, we have defined a hybrid P2P/cloud approach where components and protocols are autonomically configured according to specific target goals, such as cost-effectiveness, reliability and availability. Merging P2P and cloud paradigms brings together the advantages of both: high availability, provided by the Cloud presence, and low cost, by exploiting inexpensive peers resources. As an example, we have shown how the proposed approach can be used to design NAM-based collaborative storage systems based on an autonomic policy to decide how to distribute data chunks among peers and Cloud, according to cost minimization and data availability goals. As a second application, we have defined an autonomic architecture for decentralized urban participatory sensing (UPS) which bridges sensor networks and mobile systems to improve effectiveness and efficiency. The developed application allows users to retrieve and publish different types of sensed information by using the features provided by NAM4J's context bus. Trust and reputation is managed through the application of DARTSense mechanisms. Also, the application includes an autonomic policy that detects areas characterized by few contributors, and tries to recruit new providers by migrating code necessary to sensing, through NAM mobility actions.