Modeling and simulation of a synthetic genetic circuit that implements a multicelled behavior in a growing microcolony of E. coli

Synthetic Biology is a relatively new discipline, born at the beginning of the New Millennium, that brings the typical engineering approach (abstraction, modularity and standardization) to biotechnology. These principles aim to tame the extreme complexity of the various components and aid the construction of artificial biological systems with specific functions, usually by means of synthetic genetic circuits implemented in bacteria or simple eukaryotes like yeast. The cell becomes a programmable machine and its low-level programming language is made of strings of DNA. This work was performed in collaboration with researchers of the Department of Electrical Engineering of the University of Washington in Seattle and also with a student of the Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica at the University of Bologna: Marilisa Cortesi. During the collaboration I contributed to a Synthetic Biology project already started in the Klavins Laboratory. In particular, I modeled and subsequently simulated a synthetic genetic circuit that was ideated for the implementation of a multicelled behavior in a growing bacterial microcolony. In the first chapter the foundations of molecular biology are introduced: structure of the nucleic acids, transcription, translation and methods to regulate gene expression. An introduction to Synthetic Biology completes the section. In the second chapter is described the synthetic genetic circuit that was conceived to make spontaneously emerge, from an isogenic microcolony of bacteria, two different groups of cells, termed leaders and followers. The circuit exploits the intrinsic stochasticity of gene expression and intercellular communication via small molecules to break the symmetry in the phenotype of the microcolony. The four modules of the circuit (coin flipper, sender, receiver and follower) and their interactions are then illustrated. In the third chapter is derived the mathematical representation of the various components of the circuit and the several simplifying assumptions are made explicit. Transcription and translation are modeled as a single step and gene expression is function of the intracellular concentration of the various transcription factors that act on the different promoters of the circuit. A list of the various parameters and a justification for their value closes the chapter. In the fourth chapter are described the main characteristics of the gro simulation environment, developed by the Self Organizing Systems Laboratory of the University of Washington. Then, a sensitivity analysis performed to pinpoint the desirable characteristics of the various genetic components is detailed. The sensitivity analysis makes use of a cost function that is based on the fraction of cells in each one of the different possible states at the end of the simulation and the wanted outcome. Thanks to a particular kind of scatter plot, the parameters are ranked. Starting from an initial condition in which all the parameters assume their nominal value, the ranking suggest which parameter to tune in order to reach the goal. Obtaining a microcolony in which almost all the cells are in the follower state and only a few in the leader state seems to be the most difficult task. A small number of leader cells struggle to produce enough signal to turn the rest of the microcolony in the follower state. It is possible to obtain a microcolony in which the majority of cells are followers by increasing as much as possible the production of signal. Reaching the goal of a microcolony that is split in half between leaders and followers is comparatively easy. The best strategy seems to be increasing slightly the production of the enzyme. To end up with a majority of leaders, instead, it is advisable to increase the basal expression of the coin flipper module. At the end of the chapter, a possible future application of the leader election circuit, the spontaneous formation of spatial patterns in a microcolony, is modeled with the finite state machine formalism. The gro simulations provide insights into the genetic components that are needed to implement the behavior. In particular, since both the examples of pattern formation rely on a local version of Leader Election, a short-range communication system is essential. Moreover, new synthetic components that allow to reliably downregulate the growth rate in specific cells without side effects need to be developed. In the appendix are listed the gro code utilized to simulate the model of the circuit, a script in the Python programming language that was used to split the simulations on a Linux cluster and the Matlab code developed to analyze the data.

Analisi di un'architettura Multi-Master ad alta affidabilità basata su MariaDB Galera Cluster

Progettazione, realizzazione ed analisi prestazionale e di robustezza di un sistema di cluster ad alta affidabilità basato su MariaDB Galera Cluster. Affiancamento al cluster di un sistema di proxy MaxScale. Studio e realizzazione di una procedura di migrazione da DBMS MySQL a MariaDB Galera Cluster.

Cluster carbonilici di platino contenenti fosfine

Nel corso di questa Tesi sono state studiate le reazioni di cluster carbonil anionici di Platino con fosfine. In particolare, sono state investigate nel dettaglio le reazioni dei cluster [Pt3n(CO)6n]2– (n = 3,4) e [Pt19(CO)22]n– (n = 3,4) con PPh3. Sono state poi preliminarmente studiate anche le reazioni di [Pt24(CO)30]2– e [Pt38(CO)44]2– con PPh3. Questo ha portato alla sintesi e alla completa caratterizzazione mediante diffrazione di raggi X su cristallo singolo delle specie [NBu4]2[Pt9(CO)16(PPh3)2] e [NBu4]x[Pt22(CO)22(PPh3)6]2•yCH3CN, contenenti gli anioni [Pt9(CO)16(PPh3)2]2– e [Pt22(CO)22(PPh3)6]2–. È stato inoltre preparato un nuovo composto tentativamente formulato come [Pt19(CO)20(PPh3)2]4–, sulla base dei dati IR, 31P NMR e ESI-MS. Questi rappresentano i primi esempi di cluster carbonilici anionici di Platino contenenti fosfine. Nel caso delle reazioni di [Pt24(CO)30]2– e [Pt38(CO)44]2– con PPh3 i prodotti sono stati caratterizzati al momento solo mediante spettroscopia IR, e quindi è molto difficile ipotizzare una loro struttura. I composti [Pt9(CO)16(PPh3)2]2– e [Pt19(CO)20(PPh3)2]4– sono stati investigati mediante spettroscopia 31P NMR in soluzione a temperatura variabile. Il primo mostra un unico segnale 31P NMR, in accordo con la struttura allo stato solido, mentre [Pt19(CO)20(PPh3)2]4– è risultato essere flussionale. È stato poi studiato nel dettaglio il comportamento fotochimico dei cluster [Pt3n(CO)6n]2– (n = 3-6) in funzione della concentrazione, confermando la loro natura di “Double emitting quantum dots”. Infine è stato preparato e caratterizzato strutturalmente il sale [DAMS]2[Pt9(CO)18]•dmf, contenente il catione [DAMS]+.

Sintesi, caratterizzazione e reattività di nuovi Cluster Carbonilici Ni-P

The aim of this work is to explore the chemistry of new heteroatomic molecular compounds never reported in the scientific literature so far: Ni-P carbonyl clusters. First, an attempt was made to illustrate the reasons which brought to the choice of this specific metal-pnictogen couple, such as the interesting properties of Ni-P binary phases, the difficulties related in obtaining structural data for this bulk compounds and the absence of references about nickel-phosphorus molecular compounds (e.g. carbonyl clusters) reported in literature. Then, the general criteria chosen for the reactions between precursors [Ni6(CO)12]2- and PCl3 or POCl3 have been reported. This work has permitted to individuate many new products, of which some have also been isolated and characterised: [Ni11P(CO)18]3-, [Ni23-xP2(CO)30-x]6- (x=0, 1), [HNi31P4(CO)39]5- e [H2Ni31P4(CO)39]4-. Except for the former, a reproducible synthetic path has been refined for all those new Ni-P carbonyl clusters; furthermore some chemical reactivity has been carried out in order to test their characteristics.

Studio mediante spettroscopia di assorbimento di raggi x con luce di sincrotrone di cluster di argento su ceria

si vuole studiare la struttura atomica di cluster di argento su ceria, si è utilizzata la spettroscopia di assorbimento di raggi x con luce di sincrotrone. Le misure sono state effettuate all'Esrf di Grenoble e si sono analizzati gli spettri EXAFS di diversi spessori equivalenti di argento (1.5Å , 0.7Å, 0.2Å, 0.1Å). Si tratta il processo di produzione della luce di sincrotrone e le sue proprietà caratteristiche. In particolare si descrive la strumentazione ottica utilizzata: specchi riflettenti per raggi X e monocromatore con geometria a doppio cristallo.

Cluster carbonilici eterometallici di rodio: Sintesi di nuove specie molecolari e studio della loro reattività

Durante il mio periodo di Tesi ho lavorato nel campo dei cluster eterometallici di Rh stabilizzati da leganti carbonilici. Inizialmente mi sono occupato della reazione di idrogenazione del cluster [Rh12Sn(CO)27]4- e della specie insatura [Rh12Sn(CO)25]4-, che ho sintetizzato per la prima volta con reattore a microonde. Ho poi testato il prodotto [Rh12Sn(CO)27/25-xHy]4- come catalizzatore nella reazione di idrogenazione di stirene ad etilbenzene. Le prove hanno evidenziato la sua scarsa attività catalitica, anzi il catalizzatore si è rivelato instabile sia in atmosfera di H2, dove si trasforma in [Rh14(CO)25]4-, che di CO/H2, dove genera una specie ancora non ben caratterizzata. Nella seconda parte del mio progetto ho cercato di sintetizzare nuovi cluster carbonilici Rh-Bi. Dopo alcune prove sono riuscito ad isolare e caratterizzare il nuovo cluster icosaedrico [Rh12Bi(CO)27]3-. Ne ho poi studiato la reattività trattandolo con BiCl3, HCl e irraggiandolo con le microonde. Dalla prima reazione ho ottenuto due nuove specie molecolari cioè il dimero [(Rh12Bi(CO)26)2Bi]5-, in cui due unità icosaedriche sono legate insieme da uno ione Bi+, e [Rh14Bi3(CO)27]3-, in cui sono presenti legami incipienti intermolecolari Bi-Bi. Nelle altre due prove sono stati identificati nuovi prodotti non ancora identificati ma tuttora in fase di studio.

Ottimizzazione, guidata dall'applicazione, della scansione di canali WiFi in kernel Linux

La tesi ha visto la creazione di una applicazione in grado di inviare e ricevere messaggi verso un kernel Linux 3.6.8, che e' stato modificato nel modulo net/mac80211. Lo scopo e' stato permettere all'applicazione di attivare/disattivare comportamenti alternativi del metodo di scansione di canali Wi-Fi. Sono rese possibili le seguenti funzionalita': disattivare la scansione, rendere non interrompibile la scansione software, ricevere notifiche a completamento di una scansione software. Per la comunicazione sono stati usati i socket netlink.

Interazione di cluster carbonilici FE-CU con complessi di metalli di transizione e leganti azotati

Nel corso di questa Tesi sono state studiate reazioni di cluster carburo-carbonilici Fe/Cu con composti azotati di varia natura: complessi fosforescenti di metalli di transizione, 1-10 fenantrolina, L-amminoacidi e Chinolina. In particolare la reazione tra Fe4C(CO)12Cu2(CH3CN)2 e [Ru(tpy)(bpy)(N4C-C6H4-CN)]+ ha portato alla sintesi dell’addotto Fe4C(CO)12{Cu2Cl[Ru(tpy)(bpy)(N4C-C6H4-CN)]}, sul quale sono state condotte misure di luminescenza (emissione, eccitazione e misura dei tempi di vita degli stati eccitati). Per confronto degli spettri registrati su campioni di adotto in soluzione con quelli del complesso cationico di Ru(II), si è ipotizzato che l’addotto sintetizzato in soluzione dia origine ad un sistema in equilibrio tra le specie legate e dissociate. Le reazioni di Fe4C(CO)12Cu2(CH3CN)2 e [NEt4][Fe5C(CO)14Cu(CH3CN)] con 1-10 fenantrolina hanno permesso di isolare le nuove specie [Fe4C(CO)12(Cuphen)]–, [Fe4C(CO)12(Cuphen)] e [Fe5C(CO)14(Cuphen)]–, sottoforma dei loro sali [Cu(phen)2][Fe4C(CO)12(Cuphen)], [NEt4] [Fe4C(CO)12(Cuphen)], [Fe4C(CO)12(Cuphen)], [NEt4][Fe5C(CO)14(Cuphen)]• CH2Cl2 e [NEt4][Fe5C(CO)14(Cuphen)]•THF. In tali cluster si nota come la natura bidentata di phen e il suo ingombro sterico abbiano causato notevoli riarrangiamenti strutturali rispetto alle specie iniziali contenenti acetonitrile. La sintesi di Fe4C(CO)12(CuQ)2 e [NEt4][Fe5C(CO)14(CuQ)] è avvenuta inaspettatamente a partire dalle reazioni condotte tra Fe4C(CO)12Cu2(CH3CN)2 e [NEt4][Fe5C(CO)14Cu(CH3CN)] con le molecole L-prolina, L-metionina e guanina, a causa della chinolina contenuta come impurezza nei reagenti di partenza. L’esito di questa reazione ha comunque mostrato l’elevata affinità dei cluster per il legante chinolina, sebbene presente in ambiente di reazione in misura sensibilmente inferiore rispetto agli altri reagenti. Tutte le nuove specie sintetizzate sono stati caratterizzate mediante spettroscopia IR e le strutture molecolari sono state determinate mediante diffrazione di raggi X su cristallo singolo.

Integrazione di macchine virtuali User-Mode Linux relativistiche nell'ambiente di emulazione Marionnet

Una macchina relativistica è una macchina il cui tempo scorre ad una velocità diversa da quella del tempo reale. Macchine di questo tipo possono essere utili ad esempio per simulare tempi di trasferimento dei dati più veloci, oppure per testare protocolli di sincronizzazione degli orologi. La possibilità di definire la velocità del tempo virtuale è stata aggiunta a User-Mode Linux. Grazie ad una modifica a Marionnet che include un'interfaccia grafica è stato reso semplice il processo di creazione di reti di macchine virtuali relativistiche.

Esperimenti di Modularizzazione dello Stack TCP-IP di Linux

In questo lavoro si introduce il progetto di estrarre lo stack tcp-ip dal kernel di linux e farlo funzionare come una normale libreria in userspace. Si parlerà dei vantaggi di avere lo stack tcp-ip in userspace, di altri progetti simili, del motivo per cui si è scelto lo stack di linux, dei principali problemi incontrati nel corso del lavoro, del percorso seguito, e di come il risultato possa essere migliorato per renderlo uno strumento effettivamente utile.

Transmission Error Detector per Wi-Fi su kernel Linux 4.0

Il lavoro descrive la progettazione, l'implementazione e il test sperimentale di un meccanismo, integrato nel kernel Linux 4.0, dedicato al riconoscimento delle perdite dei frame Wi-Fi.

Sintesi e caratterizzazione di nuovi cluster carbonilici Rh-Sb e Rh-Ge

The topic of my thesis was focused on the synthesis of heteroatomic Rh clusters stabilized by carbonyl ligands. I studied the reactivity of [Rh7(CO)16]3- with different Sb3+ and Ge4+ salts, and tried to synthesize new species by changing the reaction conditions. Indeed, in order to obtain new Rh-Sb and Rh-Ge clusters, I employed different stoichiometric ratios, solvents and atmospheres (N2 or CO). As far as the Rh-Sb system is concerned, I successfully synthesized three new compounds through two different reactions, namely [Rh20Sb3(CO)36][NEt4]3, [Rh21Sb2(CO)38][NEt4]5 and [Rh12Sb(CO)24][NEt4]3. At the same time, I investigated the Rh-Ge system and succeeded in the isolation of the new cluster [Rh14Ge2(CO)30][NEt4]2, along with [Rh12SbGePh2(CO)26][NEt4]2, by treating [Rh7(CO)16]3- with both Ge4+ and Sb3+ salts. Each compound has been characterized by IR spectroscopy, ESI-MS spectrometry and single crystal X-ray diffractometry. Finally, I conduced chemical reactivity tests on some of the obtained compounds.