Sintesi e caratterizzazione di polimeri anfifilici per il trasporto di materiale genetico

In questo lavoro sono stati sintetizzati dei copolimeri anfifilici random per il trasporto di materiale genetico. Si è partiti dalla sintesi di poli (glicidil metacrilato) mediante tecnica RAFT (Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer), con il fine di ottenere un polimero con una distribuzione del peso molecolare ben definita. Il trattamento del polimero con un opportuno nucleofilo fornisce un materiale con caratteristiche differenti da quelle di partenza, con l’ottenimento di un polimero solubile in acqua. Altri trattamenti di funzionalizzazione con gruppi lipofili hanno fornito un materiale (copolimero random) anfifilico in grado di autoassemblarsi in acqua con formazione di micelle. Si è dimostrato che le micelle hanno un’interazione con del materiale genetico. I polimeri sono stati infine funzionalizzati con degli agenti fluorescenti.

Un algoritmo genetico parallelo per la k-colorabilità

Implementazione mediante librerie MPI di un algoritmo genetico parallelo per risolvere il problema sulla k-colorabilità. La tesi descrive la versione sequenziale dell'algoritmo genetico di riferimento e l'implementazione della sua versione parallela. Vi è una fase di analisi dei risultati ottenuti dai test effettuati su una macchina ad architettura parallela.

Ottimizzazione strutturale in ambiente Salome-Meca/CAE

La tesi tratta aspetti relativi all'ottimizzazione strutturale. Algoritmi di ottimizzazione scritti in linguaggio di programmazione Python, sia basati sul metodo del simplesso che di tipo gentico, sono stati integrati in ambiente Salome-Meca/CAE ed applicati ad esempi di interesse strutturale.

Architettura e Restauro. Proposta di riuso e valorizzazione per la vecchia fornace di Bellaria.

Nel momento in cui si pone il problema del recupero di un qualsivoglia edificio, si dichiarano il riconoscimento e l’accettazione di valori ad esso attribuiti oltre che dalle memorie individuali, anche da istanze culturali attente alle categorie della monumentalità (valore artistico/storico) o della semplice oggettualità del documento materiale (valore storico/documentale) ed infine da quelle economiche, orientate allo sfruttamento del valore utilitaristico del bene. Il progetto di recupero dell'ex fornace Verni - Vannoni si inserisce in una più vasta proposta di riassetto dell’area circostante, con l’obiettivo di recuperare l’identità che il complesso produttivo rivestiva all’interno del contesto urbano bellariese. La rifunzionalizzazione integrata della fabbrica si concretizza a conclusione della ricerca condotta sulle reali esigenze della città e sull’oggetto architettonico: il tentativo è quello di ricercare il “codice genetico” dell’edificio, analizzando la sua natura a partire dalla sua storia, per poi giungere fino alla comprensione delle sue qualità, sia tipologico-compositive, sia materiche che costruttive.

Una base dati per il knowledge discovery in genetica medica

L'innovazione delle tecnologie di sequenziamento negli ultimi anni ha reso possibile la catalogazione delle varianti genetiche nei campioni umani, portando nuove scoperte e comprensioni nella ricerca medica, farmaceutica, dell'evoluzione e negli studi sulla popolazione. La quantità di sequenze prodotta è molto cospicua, e per giungere all'identificazione delle varianti sono necessari diversi stadi di elaborazione delle informazioni genetiche in cui, ad ogni passo, vengono generate ulteriori informazioni. Insieme a questa immensa accumulazione di dati, è nata la necessità da parte della comunità scientifica di organizzare i dati in repository, dapprima solo per condividere i risultati delle ricerche, poi per permettere studi statistici direttamente sui dati genetici. Gli studi su larga scala coinvolgono quantità di dati nell'ordine dei petabyte, il cui mantenimento continua a rappresentare una sfida per le infrastrutture. Per la varietà e la quantità di dati prodotti, i database giocano un ruolo di primaria importanza in questa sfida. Modelli e organizzazione dei dati in questo campo possono fare la differenza non soltanto per la scalabilità, ma anche e soprattutto per la predisposizione al data mining. Infatti, la memorizzazione di questi dati in file con formati quasi-standard, la dimensione di questi file, e i requisiti computazionali richiesti, rendono difficile la scrittura di software di analisi efficienti e scoraggiano studi su larga scala e su dati eterogenei. Prima di progettare il database si è perciò studiata l’evoluzione, negli ultimi vent’anni, dei formati quasi-standard per i flat file biologici, contenenti metadati eterogenei e sequenze nucleotidiche vere e proprie, con record privi di relazioni strutturali. Recentemente questa evoluzione è culminata nell’utilizzo dello standard XML, ma i flat file delimitati continuano a essere gli standard più supportati da tools e piattaforme online. È seguita poi un’analisi dell’organizzazione interna dei dati per i database biologici pubblici. Queste basi di dati contengono geni, varianti genetiche, strutture proteiche, ontologie fenotipiche, relazioni tra malattie e geni, relazioni tra farmaci e geni. Tra i database pubblici studiati rientrano OMIM, Entrez, KEGG, UniProt, GO. L'obiettivo principale nello studio e nella modellazione del database genetico è stato quello di strutturare i dati in modo da integrare insieme i dati eterogenei prodotti e rendere computazionalmente possibili i processi di data mining. La scelta di tecnologia Hadoop/MapReduce risulta in questo caso particolarmente incisiva, per la scalabilità garantita e per l’efficienza nelle analisi statistiche più complesse e parallele, come quelle riguardanti le varianti alleliche multi-locus.

Algoritmo di scelta della posizione degli scaricatori di tensione per la protezione delle reti di distribuzione elettrica dalle fulminazioni indirette

Le reti di distribuzione sono normalmente esposte ai fulmini, i quali producono sovratensioni sia da eventi diretti che indiretti. Le sovratensioni indotte, prodotte da fulminazioni indirette, sono le più frequenti nelle reti di media tensione, e sono una delle maggiori cause di guasto e di malfunzionamento dei dispositivi della rete. E’ per ciò essenziale realizzare un’accurata valutazione delle prestazioni dei mezzi di protezione delle reti di distribuzione dai fulmini al fine di migliorare la continuità e la qualità del servizio. L’obiettivo della tesi è sviluppare una procedura basata sull'algoritmo genetico in grado di determinare il numero di scaricatori ed i punti ottimali di installazione, tenendo conto della particolare configurazione della rete oggetto di studio, in modo da garantire la protezione della rete e in particolare dei componenti più vulnerabili. La procedura deve essere generica, ovvero deve risolvere il problema per una qualsiasi topologia di rete di media tensione.

Approccio network-based alla discriminant analysis mediante HPC per la ricerca di signature ottimali in dati ad alta dimensionalità

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell’ambito della classificazione di dati ad alta dimensionalità, sviluppando un algoritmo basato sul metodo della Discriminant Analysis. Esso classifica i campioni attraverso le variabili prese a coppie formando un network a partire da quelle che hanno una performance sufficientemente elevata. Successivamente, l’algoritmo si avvale di proprietà topologiche dei network (in particolare la ricerca di subnetwork e misure di centralità di singoli nodi) per ottenere varie signature (sottoinsiemi delle variabili iniziali) con performance ottimali di classificazione e caratterizzate da una bassa dimensionalità (dell’ordine di 101, inferiore di almeno un fattore 103 rispetto alle variabili di partenza nei problemi trattati). Per fare ciò, l’algoritmo comprende una parte di definizione del network e un’altra di selezione e riduzione della signature, calcolando ad ogni passaggio la nuova capacità di classificazione operando test di cross-validazione (k-fold o leave- one-out). Considerato l’alto numero di variabili coinvolte nei problemi trattati – dell’ordine di 104 – l’algoritmo è stato necessariamente implementato su High-Performance Computer, con lo sviluppo in parallelo delle parti più onerose del codice C++, nella fattispecie il calcolo vero e proprio del di- scriminante e il sorting finale dei risultati. L’applicazione qui studiata è a dati high-throughput in ambito genetico, riguardanti l’espressione genica a livello cellulare, settore in cui i database frequentemente sono costituiti da un numero elevato di variabili (104 −105) a fronte di un basso numero di campioni (101 −102). In campo medico-clinico, la determinazione di signature a bassa dimensionalità per la discriminazione e classificazione di campioni (e.g. sano/malato, responder/not-responder, ecc.) è un problema di fondamentale importanza, ad esempio per la messa a punto di strategie terapeutiche personalizzate per specifici sottogruppi di pazienti attraverso la realizzazione di kit diagnostici per l’analisi di profili di espressione applicabili su larga scala. L’analisi effettuata in questa tesi su vari tipi di dati reali mostra che il metodo proposto, anche in confronto ad altri metodi esistenti basati o me- no sull’approccio a network, fornisce performance ottime, tenendo conto del fatto che il metodo produce signature con elevate performance di classifica- zione e contemporaneamente mantenendo molto ridotto il numero di variabili utilizzate per questo scopo.

Analisi quantitativa dell'espressione genica mediante real-time rt-pcr.

Il primo capitolo di questo lavoro di tesi introduce i concetti di biologia necessari per comprendere il fenomeno dell’espressione genica. Il secondo capitolo descrive i metodi e le tecniche di laboratorio utilizzate per ottenere il cDNA, il materiale genetico che verrà amplificato nella real-time PCR. Nel terzo capitolo si descrive la tecnica di real-time PCR, partendo da una descrizione della PCR convenzionale fino a delineare le caratteristiche della sua evoluzione in real-time PCR. Si prosegue con la spiegazione del principio fisico alla base della tecnica e delle molecole necessarie (fluorofori e sonde) per realizzarla; infine si descrive l’hardware e il software dello strumento. Il quarto capitolo presenta le tecniche di analisi del segnale che utilizzano metodi di quantificazione assoluta o relativa. Infine nel quinto capitolo è presentato un caso di studio, cioè un’analisi di espressione genica con real-time PCR condotta durante l’esperienza di tirocinio presso il laboratorio ICM. e delle molecole necessarie (fluorofori e sonde) per realizzarla; infine si descrive l’hardware e il software dello strumento. Il quarto capitolo presenta le tecniche di analisi del segnale che utilizzano metodi di quantificazione assoluta o relativa. Infine nel quinto capitolo è presentato un caso di studio, cioè un’analisi di espressione genica con real-time PCR condotta durante l’esperienza di tirocinio presso il laboratorio ICM.

Ottimizzazione di strutture reticolari mediante algoritmi genetici

La tesi tratta dell'ottimizzazione di alcune tipologie di strutture reticolari. Per sviluppare i problemi analizzati ci si è avvalsi del software Grasshopper, conducendo poi l'ottimizzazione mediante un algoritmo genetico.

Stochastic modeling of bacterial protein domains distribution to predict horizontal gene transfer

In questo elaborato, abbiamo tentato di modellizzare i processi che regolano la presenza dei domini proteici. I domini proteici studiati in questa tesi sono stati ottenuti dai genomi batterici disponibili nei data base pubblici (principalmente dal National Centre for Biotechnology Information: NCBI) tramite una procedura di simulazione computazionale. Ci siamo concentrati su organismi batterici in quanto in essi la presenza di geni trasmessi orizzontalmente, ossia che parte del materiale genetico non provenga dai genitori, e assodato che sia presente in una maggiore percentuale rispetto agli organismi più evoluti. Il modello usato si basa sui processi stocastici di nascita e morte, con l'aggiunta di un parametro di migrazione, usato anche nella descrizione dell'abbondanza relativa delle specie in ambito delle biodiversità ecologiche. Le relazioni tra i parametri, calcolati come migliori stime di una distribuzione binomiale negativa rinormalizzata e adattata agli istogrammi sperimentali, ci induce ad ipotizzare che le famiglie batteriche caratterizzate da un basso valore numerico del parametro di immigrazione abbiano contrastato questo deficit con un elevato valore del tasso di nascita. Al contrario, ipotizziamo che le famiglie con un tasso di nascita relativamente basso si siano adattate, e in conseguenza, mostrano un elevato valore del parametro di migrazione. Inoltre riteniamo che il parametro di migrazione sia direttamente proporzionale alla quantità di trasferimento genico orizzontale effettuato dalla famiglia batterica.

L'algoritmo bionomico per il Traveling Salesman Problem

In questa tesi viene presentato un nuovo metaeuristico per la risoluzione del Traveling Salesman Problem (TSP) simmetrico. Tale metodo, detto algoritmo bionomico, è una variante dell'algoritmo genetico che usa un metodo innovativo di generazione del parents set. Nella tesi vengono proposti diversi metodi di crossover specifici per il TSP ma che possono essere facilmente estesi per altri problemi di ottimizzazione combinatoria. Tali metodi sono stati sperimentati su un insieme di problemi test, i risultati computazionali mostrano l'efficienza dei metodi proposti. In particolare uno dei metodi domina gli altri sia per la miglior qualità delle soluzioni prodotte che per il minor tempo di calcolo impiegato.

Implementazione Libreria C per il Multiple Testing correction

Nell'era genomica moderna, la mole di dati generata dal sequenziamento genetico è diventata estremamente elevata. L’analisi di dati genomici richiede l’utilizzo di metodi di significatività statistica per quantificare la robustezza delle correlazioni individuate nei dati. La significatività statistica ci permette di capire se le relazioni nei dati che stiamo analizzando abbiano effettivamente un peso statistico, cioè se l’evento che stiamo analizzando è successo “per caso” o è effettivamente corretto pensare che avvenga con una probabilità utile. Indipendentemente dal test statistico utilizzato, in presenza di test multipli di verifica (“Multiple Testing Hypothesis”) è necessario utilizzare metodi per la correzione della significatività statistica (“Multiple Testing Correction”). Lo scopo di questa tesi è quello di rendere disponibili le implementazioni dei più noti metodi di correzione della significatività statistica. È stata creata una raccolta di questi metodi, sottoforma di libreria, proprio perché nel panorama bioinformatico moderno non è stato trovato nulla del genere.

Caratteristiche qualitative delle carni bovine

Lo scopo di questo elaborato di tesi è stato quello di condurre uno studio preliminare volto ad indagare le principali caratteristiche qualitative delle carni bovine in funzione dell’origine e dell’età degli animali. Nel corso della sperimentazione sono stati analizzati 24 campioni di carne bovina ottenuti da animali di origine francese ed italiana di età compresa fra 15 e 23 mesi, acquistati presso la grande distribuzione o acquisiti direttamente dalle aziende produttrici. Da ciascun campione sono state ricavate delle porzioni di 6 mm di spessore impiegate, a loro volta, per la preparazione di sotto-campioni da sottoporre a determinazione di pH, colore, Expressible Moisture (EM %) e sforzo di taglio. Nell’ambito di ciascun parametro, l’insieme dei dati è stato analizzato mediante analisi statistica di tipo descrittivo. Successivamente, calcolata la matrice delle correlazioni fra i parametri oggetto di studio i dati sono stati elaborati mediante analisi multivariata con il metodo delle componenti principali (Principal Component Analysis, PCA) allo scopo di verificare se fosse possibile discriminare la qualità della carne in funzione dell’origine e dell’età degli animali. Quanto emerso evidenzia come non sia possibile discriminare la qualità dei campioni di carne bovina, sia acquistati al dettaglio presso la grande distribuzione che acquisiti direttamente dalle aziende produttrici, sulla base delle informazioni riportate in etichetta circa l’età e l’origine degli animali. Ciò può trovare spiegazione nella molteplicità di fattori intrinseci (specie, razza o tipo genetico, genere, età e peso degli animali alla macellazione) ed estrinseci (fasi pre- e post-macellazione) in grado di svolgere un ruolo rilevante nel determinare la qualità della carne. Pertanto, future ricerche dovranno essere intraprese per individuare quali parametri possano essere considerati più idonei a valorizzare la qualità tecnologica e sensoriale delle carni bovine.