Studi funzionali e strutturali sul wildtype e sul mutante γM23-K della ATP sintasi di Rhodobacter capsulatus: ruolo dell'ADP e della forza protonmotiva nell'attivazione dell’enzima e nell'accoppiamento dell'idrolisi di ATP alla traslocazione protonica

Nel presente lavoro di tesi sono state messe a confronto le ATP sintasi wild-type e γM23-K in cromatofori del batterio fotosintetico Rhodobacter capsulatus sotto gli aspetti funzionale e regolatorio. Si pensava inizialmente che la mutazione, in base a studi riportati in letteratura condotti sull’omologa mutazione in E. coli, avrebbe indotto disaccoppiamento intrinseco nell’enzima. Il presente lavoro ha chiarito che il principale effetto della mutazione è un significativo aumento dell’affinità dell’enzima per l’ADP inibitorio, che ne determina il ridotto livello di ATP idrolisi e la rapidissima reinattivazione in seguito ad attivazione da forza protonmotiva. Il residuo 23 della subunità γ si trova posizionato in prossimità della regione conservata DEELSED carica negativamente della subunità β, e l’introduzione nel mutante di una ulteriore carica positiva potrebbe determinare una maggiore richiesta di energia per indurre l’apertura del sito catalitico. Un’analisi quantitativa dei dati di proton pumping condotta mediante inibizione parziale dell’idrolisi del wildtype ha inoltre mostrato come il grado di accoppiamento del mutante in condizioni standard non differisca sostanzialmente da quello del wild-type. D’altro canto, è stato recentemente osservato come un disaccoppiamento intrinseco possa venire osservato in condizioni opportune anche nel wild-type, e cioè a basse concentrazioni di ADP e Pi. Nel presente lavoro di tesi si è dimostrato come nel mutante l’osservazione del fenomeno del disaccoppiamento intrinseco sia facilitata rispetto al wild-type. È stato proprio nell’ambito delle misure condotte sul mutante che è stato possibile dimostrare per la prima volta il ruolo fondamentale della componente elettrica della forza protonmotiva nel mantenere lo stato enzimatico ad elevato accoppiamento. Tale ruolo è stato successivamente messo in luce anche nel wild-type, in parte anche grazie all’uso di inibitori specifici di F1 e di FO. Il disaccoppiamento intrinseco nel wild-type è stato ulteriormente esaminato anche nella sua dipendenza dalla rimozione di ADP e Pi; in particolare, oltre all’amina fluorescente ACMA, è stata utilizzata come sonda di ΔpH anche la 9-aminoacridina e come sonda di Δψ l’Oxonolo VI. In entrambi i casi il ruolo accoppiante di questi due ligandi è stato confermato, inoltre utilizzando la 9-aminoacridina è stato possibile calibrare il segnale di fluorescenza con salti acido-base, dando quindi una base quantitativa ai dati ottenuti. Noi riteniamo che il più probabile candidato strutturale coinvolto in questi cambiamenti di stato enzimatici sia la subunità ε, di cui è noto il coinvolgimento in processi di regolazione e in cambiamenti strutturali indotti da nucleotidi e dalla forza protonmotiva. In collaborazione con il Dipartimento di Chimica Fisica dell’Università di Friburgo è in atto un progetto per studiare i cambiamenti strutturali presumibilmente associati al disaccoppiamento intrinseco tramite FRET in singola molecola di complessi ATP-sintasici marcati con fluorofori sia sulla subunità ε che sulla subunità γ. Nell’ambito di questa tesi sono stati creati a questo fine alcuni doppi mutanti cisteinici ed è stato messo a punto un protocollo per la loro marcatura con sonde fluorescenti.

Sensori chimici basati su molecole e nanoparticelle

Con questo lavoro di tesi si è cercato da un lato di dare un contributo al settore dei sensori chimici, caratterizzando e sviluppando diversi sistemi che presentano promettenti proprietà per l’utilizzo nella realizzazione di sensori luminescenti, e dall’altro di studiare sistemi di nanoparticelle di oro per identificarne e caratterizzarne i processi che portano all’interazione con un’unità fluorescente di riferimento, il pirene. Quest’ultima parte della tesi, sviluppata nel capitolo 4, sebbene possa apparire “slegata” dall’ambito della sensoristica, in realtà non lo è in quanto il lavoro di ricerca svolto rappresenta una buona base di partenza per lo sviluppo di sistemi di nanoparticelle metalliche con un possibile impiego in campo biomedico e diagnostico. Tutte le specie studiate, seppur molto diverse tra loro, posseggono quindi buone caratteristiche di luminescenza ed interessanti capacità di riconoscimento, più o meno selettivo, di specie in soluzione o allo stato gassoso. L’approccio generale che è stato adottato comporta una iniziale caratterizzazione in soluzione ed una susseguente ottimizzazione del sistema mirata a passare al fissaggio su supporti solidi in vista di possibili applicazioni pratiche. A tal proposito, nel capitolo 3 è stato possibile ottenere un monostrato organico costituito da un recettore (un cavitando), dotato di una parte fluorescente le cui proprietà di luminescenza sono sensibili alla presenza di una funzione chimica che caratterizza una classe di analiti, gli alcoli. E’ interessante sottolineare come lo stesso sistema in soluzione si comporti in maniera sostanzialmente differente, mostrando una capacità di segnalare l’analita molto meno efficiente, anche in funzione di una diversa orientazione della parte fluorescente. All’interfaccia solido-gas invece, l’orientamento del fluoroforo gioca un ruolo chiave nel processo di riconoscimento, e ottimizzando ulteriormente il setup sperimentale e la composizione dello strato, sarà possibile arrivare a segnalare quantità di analita sempre più basse. Nel capitolo 5 invece, è stato preso in esame un sistema le cui potenzialità, per un utilizzo come sonda fluorescente nel campo delle superfici di silicio, sembra promettere molto bene. A tal proposito sono stati discussi anche i risultati del lavoro che ha fornito l’idea per la concezione di questo sistema che, a breve, verrà implementato a sua volta su superficie solida. In conclusione, le ricerche descritte in questa tesi hanno quindi contribuito allo sviluppo di nuovi chemosensori, cercando di migliorare sia le proprietà fotofisiche dell’unità attiva, sia quelle dell’unità recettrice, sia, infine, l’efficienza del processo di traduzione del segnale. I risultati ottenuti hanno inoltre permesso di realizzare alcuni prototipi di dispositivi sensoriali aventi caratteristiche molto promettenti e di ottenere informazioni utili per la progettazione di nuovi dispositivi (ora in fase di sviluppo nei laboratori di ricerca) sempre più efficienti, rispondendo in tal modo alle aspettative con cui questo lavoro di dottorato era stato intrapreso.

Multiple testing in spatial epidemiology: a Bayesian approach

In this work we aim to propose a new approach for preliminary epidemiological studies on Standardized Mortality Ratios (SMR) collected in many spatial regions. A preliminary study on SMRs aims to formulate hypotheses to be investigated via individual epidemiological studies that avoid bias carried on by aggregated analyses. Starting from collecting disease counts and calculating expected disease counts by means of reference population disease rates, in each area an SMR is derived as the MLE under the Poisson assumption on each observation. Such estimators have high standard errors in small areas, i.e. where the expected count is low either because of the low population underlying the area or the rarity of the disease under study. Disease mapping models and other techniques for screening disease rates among the map aiming to detect anomalies and possible high-risk areas have been proposed in literature according to the classic and the Bayesian paradigm. Our proposal is approaching this issue by a decision-oriented method, which focus on multiple testing control, without however leaving the preliminary study perspective that an analysis on SMR indicators is asked to. We implement the control of the FDR, a quantity largely used to address multiple comparisons problems in the eld of microarray data analysis but which is not usually employed in disease mapping. Controlling the FDR means providing an estimate of the FDR for a set of rejected null hypotheses. The small areas issue arises diculties in applying traditional methods for FDR estimation, that are usually based only on the p-values knowledge (Benjamini and Hochberg, 1995; Storey, 2003). Tests evaluated by a traditional p-value provide weak power in small areas, where the expected number of disease cases is small. Moreover tests cannot be assumed as independent when spatial correlation between SMRs is expected, neither they are identical distributed when population underlying the map is heterogeneous. The Bayesian paradigm oers a way to overcome the inappropriateness of p-values based methods. Another peculiarity of the present work is to propose a hierarchical full Bayesian model for FDR estimation in testing many null hypothesis of absence of risk.We will use concepts of Bayesian models for disease mapping, referring in particular to the Besag York and Mollié model (1991) often used in practice for its exible prior assumption on the risks distribution across regions. The borrowing of strength between prior and likelihood typical of a hierarchical Bayesian model takes the advantage of evaluating a singular test (i.e. a test in a singular area) by means of all observations in the map under study, rather than just by means of the singular observation. This allows to improve the power test in small areas and addressing more appropriately the spatial correlation issue that suggests that relative risks are closer in spatially contiguous regions. The proposed model aims to estimate the FDR by means of the MCMC estimated posterior probabilities b i's of the null hypothesis (absence of risk) for each area. An estimate of the expected FDR conditional on data (\FDR) can be calculated in any set of b i's relative to areas declared at high-risk (where thenull hypothesis is rejected) by averaging the b i's themselves. The\FDR can be used to provide an easy decision rule for selecting high-risk areas, i.e. selecting as many as possible areas such that the\FDR is non-lower than a prexed value; we call them\FDR based decision (or selection) rules. The sensitivity and specicity of such rule depend on the accuracy of the FDR estimate, the over-estimation of FDR causing a loss of power and the under-estimation of FDR producing a loss of specicity. Moreover, our model has the interesting feature of still being able to provide an estimate of relative risk values as in the Besag York and Mollié model (1991). A simulation study to evaluate the model performance in FDR estimation accuracy, sensitivity and specificity of the decision rule, and goodness of estimation of relative risks, was set up. We chose a real map from which we generated several spatial scenarios whose counts of disease vary according to the spatial correlation degree, the size areas, the number of areas where the null hypothesis is true and the risk level in the latter areas. In summarizing simulation results we will always consider the FDR estimation in sets constituted by all b i's selected lower than a threshold t. We will show graphs of the\FDR and the true FDR (known by simulation) plotted against a threshold t to assess the FDR estimation. Varying the threshold we can learn which FDR values can be accurately estimated by the practitioner willing to apply the model (by the closeness between\FDR and true FDR). By plotting the calculated sensitivity and specicity (both known by simulation) vs the\FDR we can check the sensitivity and specicity of the corresponding\FDR based decision rules. For investigating the over-smoothing level of relative risk estimates we will compare box-plots of such estimates in high-risk areas (known by simulation), obtained by both our model and the classic Besag York Mollié model. All the summary tools are worked out for all simulated scenarios (in total 54 scenarios). Results show that FDR is well estimated (in the worst case we get an overestimation, hence a conservative FDR control) in small areas, low risk levels and spatially correlated risks scenarios, that are our primary aims. In such scenarios we have good estimates of the FDR for all values less or equal than 0.10. The sensitivity of\FDR based decision rules is generally low but specicity is high. In such scenario the use of\FDR = 0:05 or\FDR = 0:10 based selection rule can be suggested. In cases where the number of true alternative hypotheses (number of true high-risk areas) is small, also FDR = 0:15 values are well estimated, and \FDR = 0:15 based decision rules gains power maintaining an high specicity. On the other hand, in non-small areas and non-small risk level scenarios the FDR is under-estimated unless for very small values of it (much lower than 0.05); this resulting in a loss of specicity of a\FDR = 0:05 based decision rule. In such scenario\FDR = 0:05 or, even worse,\FDR = 0:1 based decision rules cannot be suggested because the true FDR is actually much higher. As regards the relative risk estimation, our model achieves almost the same results of the classic Besag York Molliè model. For this reason, our model is interesting for its ability to perform both the estimation of relative risk values and the FDR control, except for non-small areas and large risk level scenarios. A case of study is nally presented to show how the method can be used in epidemiology.

Nuove sonde fluorescenti per lo studio e la quantificazione del magnesio totale intracellulare

Sebbene il magnesio sia essenziale per la maggior parte dei processi biologici, si conosce ancora poco sulla sua distribuzione e compartimentalizzazione intracellulare, soprattutto a causa dell’inadeguatezza delle tecniche attualmente disponibili. Per questo motivo, particolare interesse ha recentemente suscitato una famiglia di molecole fluorescenti, diaza-18-crown-6 8-idrossichinoline (DCHQ1 e suoi derivati), che mostrano un’alta specificità e affinità per il magnesio (superiore a quella delle sonde commerciali), che consente di mappare il magnesio totale intracellulare. L’approccio sintetico alle molecole DCHQ è stato ottimizzato mediante riscaldamento alle microonde: con questa nuova metodica è stato possibile sintetizzare una famiglia di derivati con caratteristiche di fluorescenza, uptake, ritenzione e localizzazione intracellulare potenziate rispetto alla capostipite DCHQ1. Il derivato acetometossi estere (DCHQ3), idrolizzato dalle esterasi cellulari, ha mostrato un miglior uptake e ritenzione intracellulare; le lunghe catene laterali alchiliche della sonda DCHQ4, invece, hanno conferito a questo derivato maggiore lipofilicità e, di conseguenza, maggiore affinità per le membrane; con l’inserimento di gruppi laterali aromatici, infine, si sono ottenute due sonde (DCHQ5 e DCHQ6) molto fluorescenti e altamente ritenute all’interno delle cellule anche dopo i lavaggi. Il derivato fenilico DCHQ5 si è dimostrato, inoltre, utilizzabile anche per saggi fluorimetrici quantitativi del magnesio totale in campioni cellulari molto piccoli; in più, grazie all’alta ritenzione cellulare, è stato usato per monitorare e quantificare l’efflusso di magnesio attraverso la membrana plasmatica in risposta a stimolazione con cAMP. I risultati presentati in questa tesi mostrano che i DCHQ-derivati potranno rappresentare in futuro uno strumento versatile per lo studio della distribuzione e dell’omeostasi del magnesio cellulare. In particolare la sonda DCHQ5 ha mostrato l’ulteriore peculiarità di essere eccitabile sia nell’UV che nel visibile, e potrebbe essere quindi utilizzata con successo in un’ampia varietà di misure di fluorescenza, fornendo un contributo importante per la comprensione del ruolo di questo importante elemento.

Determinazione di radicali OH: sintesi di materiali per la modifica di elettrodi di platino e carbone vetroso

Questa tesi descrive lo sviluppo di un elettrodo modificato con un polimero isolante per la determinazione indiretta del radicale OH. I polimeri testati sono stati polifenolo, polipirrolo e polipirrolo sovraoossidato ed il primo è risultato quello con le migliori prestazioni. Il film di modificante è stato depositato per elettropolimerizzazione del fenolo in ambiente acido, su un elettrodo di carbone vetroso (GC) ed è risultato isolante e perfettamente adeso al GC, impedendo il trasferimento di carica alle più comuni sonde redox. L’attacco dei radicali OH, generati dalla reazione di Fenton o dalla fotolisi di H2O2, rimuove parzialmente il polimero dal GC, ripristinando parzialmente il comportamento conduttore dell’elettrodo. L’entità della degradazione del film polifenolico è stata valutata sfruttando la corrente relativa alla sonda redox Ru(NH3)63+, che rappresenta il segnale analitico per la determinazione del radicale OH. L’elettrodo è stato impiegato per stimare le prestazioni di foto catalizzatori a base di nanoparticelle di TiO2, ottenendo risultati correlati a quelli ricavati da un metodo HPLC. Inoltre esso è stato usato per sviluppare una nuova procedura per la determinazione della capacità di scavenging verso i radicali OH, che è stata applicata all’analisi di composti puri e campioni reali. I risultati erano confrontabili con quelli determinati con metodiche standardizzate, comunemente impiegate per la determinazione della capacità antiossidante. Inoltre è stato condotto uno studio riguardante la modifica di un elettrodo di platino con un idrossido misto a strati a base di cobalto e alluminio (LDH). In particolare si sono valutati gli effetti di diversi pretrattamenti del Pt sulle caratteristiche e prestazioni elettrocatalitiche del film di LDH nei confronti dell’ossidazione di anilina, fenolo e acido salicilico. Questi composti possono essere impiegati come molecole sonda per la determinazione del radicale OH e rivestono interesse da un punto di vista elettroanalitico perché portano facilmente alla passivazione della superficie di Pt.

Adattamento morfologico e variazione dell'espressione genica dopo pneumonectomia: osservazioni su modello sperimentale animale

Introduzione La pneumonectomia su modello animale potrebbe essere un’utile piattaforma di studio per approfondire i meccanismi della risposta compensatoria al danno polmonare. Scopo dello studio è determinare la presenza di variazioni morfologiche e di espressione del trascrittoma dopo pneumonectomia. Materiali e metodi Undici suini sono stati sottoposti a pneumonectomia sinistra. Sono stati eseguiti prelievi sito-specifici intraoperatori su polmone sinistro e successivamente confrontati con prelievi sito-specifici su polmone destro dopo eutanasia a 60 giorni. I prelievi degli animali con decorso regolare sono stati sottoposti a RNA-sequencing e successiva analisi computazionale per valutare il peso funzionale del singolo gene o di clusters di geni. Risultati Un animale è stato escluso per insorgenza di ernia diaframmatica. In 7/10 è stata riscontrata apertura della pleura mediastinica con parziale erniazione del polmone controlaterale e shift mediastinico. L’istologia ha mostrato dilatazione degli spazi aerei, rottura dei setti interalveolari, lieve infiammazione, assenza di fibrosi, stiramento radiale dei bronchi e riduzione del letto capillare. L’analisi di bulk RNA-sequencing ha identificato 553 geni espressi in modo differenziale (DEG)(P<0,001) tra pre e post-pneumonectomia. I primi 10 DEG up-regolati: Edn1, Areg, Havcr2, Gadd45g, Depp1, Cldn4, Atf3, Myc, Gadd45b, Socs3; i primi 10 geni down-regolati: Obscn, Cdkn2b, ENSSSCG00000015738, Prrt2, Amer1, Flrt3, Efnb2, Tox3, Znf793, Znf365. Tra i DEG è stata riscontrata una predominanza di geni specifici dei macrofagi. L’analisi di gene ontology basata su DAVID ha mostrato un significativo arricchimento della "via di segnalazione apoptotica estrinseca"(FDR q=7,60x10 -3), della via di “Risposta all’insulina”(FDR q=7,60x10 -3) ed un arricchimento di geni “Regolatori negativi del segnale DDX58/IFIH1”(FDR q=7.50x10 -4). Conclusioni Il presente studio conferma la presenza di variazioni macroscopiche e microscopiche fenotipiche dopo pneumonectomia. L’RNA sequencing e lo studio di genomica traslazionale hanno mostrato l’esistenza di geni singoli e di network di geni disregolati dopo pneumonectomia, prevalentemente in determinate popolazioni cellulari.