Ecological modelling for next generation sequencing data

Le tecniche di next generation sequencing costituiscono un potente strumento per diverse applicazioni, soprattutto da quando i loro costi sono iniziati a calare e la qualità dei loro dati a migliorare. Una delle applicazioni del sequencing è certamente la metagenomica, ovvero l'analisi di microorganismi entro un dato ambiente, come per esempio quello dell'intestino. In quest'ambito il sequencing ha permesso di campionare specie batteriche a cui non si riusciva ad accedere con le tradizionali tecniche di coltura. Lo studio delle popolazioni batteriche intestinali è molto importante in quanto queste risultano alterate come effetto ma anche causa di numerose malattie, come quelle metaboliche (obesità, diabete di tipo 2, etc.). In questo lavoro siamo partiti da dati di next generation sequencing del microbiota intestinale di 5 animali (16S rRNA sequencing) [Jeraldo et al.]. Abbiamo applicato algoritmi ottimizzati (UCLUST) per clusterizzare le sequenze generate in OTU (Operational Taxonomic Units), che corrispondono a cluster di specie batteriche ad un determinato livello tassonomico. Abbiamo poi applicato la teoria ecologica a master equation sviluppata da [Volkov et al.] per descrivere la distribuzione dell'abbondanza relativa delle specie (RSA) per i nostri campioni. La RSA è uno strumento ormai validato per lo studio della biodiversità dei sistemi ecologici e mostra una transizione da un andamento a logserie ad uno a lognormale passando da piccole comunità locali isolate a più grandi metacomunità costituite da più comunità locali che possono in qualche modo interagire. Abbiamo mostrato come le OTU di popolazioni batteriche intestinali costituiscono un sistema ecologico che segue queste stesse regole se ottenuto usando diverse soglie di similarità nella procedura di clustering. Ci aspettiamo quindi che questo risultato possa essere sfruttato per la comprensione della dinamica delle popolazioni batteriche e quindi di come queste variano in presenza di particolari malattie.

Strategie competitive e innovazioni tecnologiche nel settore dei videogiochi: la Next-Generation

Il mercato video ludico è stato, ed è tuttora uno dei settori più redditizi e innovativi del mercato globale. L’evoluzione tecnologica ha permesso lo sviluppo di device e piattaforme da gioco sempre più performanti e in grado di soddisfare le esigenze dei consumatori. Con le nuove prospettive di gioco ci si sofferma a riflettere su quale sarà l’evoluzione del business dell’intrattenimento interattivo. In questo elaborato andremo a vedere come si sta evolvendo il mercato dei videogiochi, quali sono i nuovi scenari competitivi che si sono affiancati a questo settore, quali sono i segmenti che stanno avendo una crescita considerevole negli ultimi 10 anni, e cercheremo di capire come cambierà il “gameplay” da salotto, quindi quali saranno le prospettive future delle console da gioco.

OFDM-based schemes for next generation wireless systems

The purpose of this study is to investigate two candidate waveforms for next generation wireless systems, filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing (f-OFDM) and Unified Filtered Multi-Carrier (UFMC). The evaluation is done based on the power spectral density analysis of the signal and performance measurements in synchronous and asynchronous transmission. In f-OFDM we implement a soft truncated filter with length 1/3 of OFDM symbol. In UFMC we use the Dolph-Chebyshev filter, limited to the length of zero padding (ZP). The simulation results demonstrates that both waveforms have a better spectral behaviour compared with conventional OFDM. However, the induced inter-symbol interference (ISI) caused by the filter in f-OFDM, and the inter-carrier interference (ICI) induced in UFMC due to cyclic prefix (CP) reduction , should be kept under control. In addition, in a synchronous transmission case with ideal parameters, f-OFDM and UFMC appear to have similar performance with OFDM. When carrier frequency offset (CFO) is imposed in the transmission, UFMC outperforms OFDM and f-OFDM.

Synthetic data generation for the assessment of antimicrobial resistance through machine learning

As a consequence of the diffusion of next generation sequencing techniques, metagenomics databases have become one of the most promising repositories of information about features and behavior of microorganisms. One of the subjects that can be studied from those data are bacteria populations. Next generation sequencing techniques allow to study the bacteria population within an environment by sampling genetic material directly from it, without the needing of culturing a similar population in vitro and observing its behavior. As a drawback, it is quite complex to extract information from those data and usually there is more than one way to do that; AMR is no exception. In this study we will discuss how the quantified AMR, which regards the genotype of the bacteria, can be related to the bacteria phenotype and its actual level of resistance against the specific substance. In order to have a quantitative information about bacteria genotype, we will evaluate the resistome from the read libraries, aligning them against CARD database. With those data, we will test various machine learning algorithms for predicting the bacteria phenotype. The samples that we exploit should resemble those that could be obtained from a natural context, but are actually produced by a read libraries simulation tool. In this way we are able to design the populations with bacteria of known genotype, so that we can relay on a secure ground truth for training and testing our algorithms.

Identification of stock units of Mullus barbatus (Linnaeus, 1758) in the Italian seas: development of genomic 2b-RAD markers and biological variation analysis.

This thesis is settled within the STOCKMAPPING project, which represents one of the studies that were developed in the framework of RITMARE Flagship project. The main goals of STOCKMAPPING were the creation of a genomic mapping for stocks of demersal target species and the assembling of a database of population genomic, in order to identify stocks and stocks boundaries. The thesis focuses on three main objectives representing the core for the initial assessment of the methodologies and structure that would be applied to the entire STOCKMAPPING project: individuation of an analytical design to identify and locate stocks and stocks boundaries of Mullus barbatus, application of a multidisciplinary approach to validate biological methods and an initial assessment and improvement for the genotyping by sequencing technique utilized (2b-RAD). The first step is the individuation of an analytical design that has to take in to account the biological characteristics of red mullet and being representative for STOCKMAPPING commitments. In this framework a reduction and selection steps was needed due to budget reduction. Sampling areas were ranked according the individuation of four priorities. To guarantee a multidisciplinary approach the biological data associated to the collected samples were used to investigate differences between sampling areas and GSAs. Genomic techniques were applied to red mullet for the first time so an initial assessment of molecular protocols for DNA extraction and 2b-RAD processing were needed. At the end 192 good quality DNAs have been extracted and eight samples have been processed with 2b-RAD. Utilizing the software Stacks for sequences analyses a great number of SNPs markers among the eight samples have been identified. Several tests have been performed changing the main parameter of the Stacks pipeline in order to identify the most explicative and functional sets of parameters.

Studio della correlazione fra la percentuale di cellule neoplastiche mutate in EGFR e la risposta a farmaci TKI nell'adenocarcinoma polmonare

Il gene EGFR e' un marcatore molecolare fondamentale per determinare la sensibilita' o meno ai farmaci inibitori delle tirosin-chinasi (TKI) in pazienti affetti da adenocarcinoma polmonare. Lo scopo del lavoro e' di determinare se la percentuale di cellule neoplastiche mutate in EGFR correli con la risposta ai farmaci TKI. Sono stati analizzati 18 casi; di ogni caso e' stato analizzato il gene EGFR (esoni 18, 19, 20 e 21) mediante Next Generation Sequencing (NGS). La quantita' di cellule neoplastiche presenti nell'area analizzata e' stata valutata da un patologo, su un vetrino colorato con Ematossilina-Eosina, e tale quantita' e' stata normalizzata alla percentuale di alleli mutati rilevata mediante NGS. E' stata rilevata una correlazione fra la percentuale di cellule neoplastiche mutate in EGFR e la risposta ai TKI, ed e' stato osservato che pazienti con una percentuale di cellule neoplastiche mutate al di sopra del 56% presentano una migliore "overall survival" rispetto ai pazienti con una percentuale inferiore. I dati suggeriscono che, oltre al valore predittivo, la definizione della percentuale di cellule neoplastiche mutate in EGFR potrebbe avere un valore prognostico.

Valutazione statistica della ripetibilità di esperimenti di sequenziamento del DNA in specie batteriche

I progressi della biologia molecolare assieme alle nuove tecnologie di sequenziamento applicate su scala genomica alla genetica molecolare, hanno notevolmente elevato la conoscenza sulle componenti di base della biologia e delle patologie umane. All’interno di questo contesto, prende piede lo studio delle sequenze genetiche dei batteri, consentendo dunque, una migliore comprensione di ciò che si nasconde dietro le malattie legate all’uomo. Il seguente lavoro di tesi si propone come obiettivo l’analisi del DNA del batterio Listeria monocytogenes, un microrganismo presente nel suolo e in grado di contaminare l’acqua e gli alimenti. Lo scopo principale è quello di confrontare la variabilità tecnica e biologica, al fine di capire quali siano gli SNPs reali (Single Nucleotide Polymorphism) e quali artefatti tecnici. La prima parte, quindi, comprende una descrizione del processo di individuazione degli SNPs presenti nel DNA dei campioni in esame, in particolare di tre isolati diversi e tre copie. Nella seconda parte, invece, sono effettuate delle indagini statistiche sui parametri relativi agli SNPs individuati, ad esempio il coverage o il punteggio di qualità assegnato alle basi. Il fine ultimo è quello di andare a verificare se sussistano particolari differenze tra gli SNPs dei vari isolati batterici.

Molecular phylogenesis of Mediterranean Octocorals

In order to support the conservation of the Mediterranean octocorals improvements on information regarding their taxonomic units and phylogenetic relationships are strongly needed. In the present thesis work, phylogenetic analyses based on the mitochondrial mtMSH and 16S genes were performed including 15 Mediterranean octocorals species on the 56 recognized to date. Moreover, an extended datasets with Atlanto/Pacific congeners Octocorallia species was implemented to clarify their phylogenetic relationships and estimate the divergence times of the Mediterranean species. Results indicated that: 1) there are similarity and differences among molecular and morphological traits depending on the taxonomical level considered; 2) the molecular phylogeny of the Mediterranean octocorals retrace the previous relationships based on wide octocorals analyses; and 3) the divergence time among Mediterranean and Atlanto/Pacific species varies depending on analysed taxa. At higher taxonomic level, the Mediterranean trees supported the division of the Mediterranean Octocorallia into one major clade (Alcyoniina-Holaxonia) plus two unresolved branch including the single species available of Scleraxonia and Stolonifera respectively. This topology was better supported including the Atlanto/Pacific congeners species. The molecular evidence suggested that Alcyonium palmatum and Corallium rubrum species are the youngest with a divergence time estimated around 4 MYA. Particularly, C. rubrum results were in agreement with the hypothesis that recent orogenesis process of the Mediterranean Sea promoted the allopatric speciation of this specie. Increasing the sample design and implementing the emerging next-generation genomic-sequencing technologies, further studies would be able to improve the understanding of the Mediterranean octocorals phylogenetic relationships and evolution.

Analisi comparativa di un circuito low pressure e high pressure EGR per un motore diesel sottostante a normativa americana US LEV III ULEV 125

Questa tesi di laurea nasce dall’esperienza maturata presso la VM Motori S.p.A., ufficio CRM (Centro Ricerca Motori) di ingegneria, divisione del reparto R&D (Research and Development) situato a Cento di Ferrara. Durante tale esperienza sono state affrontate le problematiche inerenti al settore automotive riguardo la ricerca e lo sviluppo dei motori endotermici diesel. Dopo un approccio introduttivo, che definisce l’ambito lavorativo in cui opera VM Motori S.p.A. e l’oggetto della tesi, si passa alla definizione ed alla calibrazione di un circuito low pressure EGR di un propulsore diesel da 200HP@3800rpm di potenza e 500Nm@1600rpm di coppia per uso automobilistico, mediante l’ausilio dei software AδαMO, INCA, Controldesk Next Generation, DoE, DIAdem ed INDICOM, software per lo studio della calibrazione al banco sviluppo. Si analizzano gli aspetti che contraddistinguono la VM Motori S.p.A. dalle altre aziende specializzate nel settore automotive, facendo riferimento ai campi produttivi in cui si applica l’ingegneria meccanica ed analizzandone gli aspetti tecnici, metodici e gestionali. Da notare il ruolo fondamentale delle automotive nell’economia mondiale in riferimento alla produzione dei principali propulsori diesel, primarie fonti produttive della VM.

Controllo ottico automatizzato di circuiti fotonici integrati: Progettazione, realizzazione e valutazione

In this report a new automated optical test for next generation of photonic integrated circuits (PICs) is provided by the test-bed design and assessment. After a briefly analysis of critical problems of actual optical tests, the main test features are defined: automation and flexibility, relaxed alignment procedure, speed up of entire test and data reliability. After studying varied solutions, the test-bed components are defined to be lens array, photo-detector array, and software controller. Each device is studied and calibrated, the spatial resolution, and reliability against interference at the photo-detector array are studied. The software is programmed in order to manage both PIC input, and photo-detector array output as well as data analysis. The test is validated by analysing state-of-art 16 ports PIC: the waveguide location, current versus power, and time-spatial power distribution are measured as well as the optical continuity of an entire path of PIC. Complexity, alignment tolerance, time of measurement are also discussed.

Implementazione su fpga di un pre-distorsore digitale a banda larga per sistemi a microonde di backhaul

The development of next generation microwave technology for backhauling systems is driven by an increasing capacity demand. In order to provide higher data rates and throughputs over a point-to-point link, a cost-effective performance improvement is enabled by an enhanced energy-efficiency of the transmit power amplification stage, whereas a combination of spectrally efficient modulation formats and wider bandwidths is supported by amplifiers that fulfil strict constraints in terms of linearity. An optimal trade-off between these conflicting requirements can be achieved by resorting to flexible digital signal processing techniques at baseband. In such a scenario, the adaptive digital pre-distortion is a well-known linearization method, that comes up to be a potentially widely-used solution since it can be easily integrated into base stations. Its operation can effectively compensate for the inter-modulation distortion introduced by the power amplifier, keeping up with the frequency-dependent time-varying behaviour of the relative nonlinear characteristic. In particular, the impact of the memory effects become more relevant and their equalisation become more challenging as the input discrete signal feature a wider bandwidth and a faster envelope to pre-distort. This thesis project involves the research, design and simulation a pre-distorter implementation at RTL based on a novel polyphase architecture, which makes it capable of operating over very wideband signals at a sampling rate that complies with the actual available clock speed of current digital devices. The motivation behind this structure is to carry out a feasible pre-distortion for the multi-band spectrally efficient complex signals carrying multiple channels that are going to be transmitted in near future high capacity and reliability microwave backhaul links.

Struttura filogenetica della comunità batterica associata ad Ostreopsis cf. Ovata in colture batch e dinamiche di crescita

Negli ultimi 10 anni i blooms attribuibili alla dinoflagellata bentonica Ostreopsis cf. ovata sono aumentati in termini di frequenza ed intensità lungo le coste del Mediterraneo, avendo ripercussioni negative sulla salute umana e forti impatti sulle comunità marine bentoniche, ciò a seguito della produzione di potenti tossine (composti palitossina-simili) da parte della microalga. Tra i fattori ecologici che innescano o regolano le dinamiche dei bloom tossici le interazioni tra microalghe e batteri sono in misura sempre maggiore oggetto di ricerca. In questo studio è stata analizzata la struttura filogenetica della comunità batterica associata ad O. cf. ovata in colture batch e valutate le dinamiche successionali della stessa in relazione alle differenti fasi di crescita della microalga (oltre che in relazione alle dinamiche di abbondanza virale). Lo studio filogenetico è stato effettuato tramite l’ausilio di metodiche molecolari di sequenziamento di next generation (Ion Torrent). Le abbondanze dei batteri e delle particelle virali sono state determinate tramite microscopia ad epifluorescenza; l’abbondanza cellulare algale è stata stimata tramite metodo Uthermohl. Il contributo della frazione batterica ad elevata attività respiratoria è stato determinato tramite doppia colorazione con coloranti DAPI e CTC. Dai dati emersi si evince che la comunità batterica attraversa due fasi di crescita distinte, una più marcata e concomitante con la fase esponenziale di O. cf. ovata, l'altra quando la microalga è in fase media stazionaria. Per quanto concerne la composizione filogenetica della comunità sono stati rilevati 12 phyla, 17 classi e 150 generi, sebbene i dati ottenuti abbiano rilevato una forte dominanza del phylum Proteobacteria con la classe Alphaproteobacteria, seguita dal phylum Bacteroidetes con la classe Sphingobacteria. Variazioni nella struttura filogenetica della comunità batterica, a livello di generi, tra le diverse fasi di crescita della microalga ha permesso di evidenziare ed ipotizzare particolari interazioni di tipo mutualistico e di tipo competitivo.

Development and optimization of fibre-shaped dye-sensitized solar cells employing an innovative fully organic sensitizer

The quality of human life depends to a large degree on the availability of energy. In recent years, photovoltaic technology has been growing extraordinarily as a suitable source of energy, as a consequence of the increasing concern over the impact of fossil fuels on climate change. Developing affordable and highly efficiently photovoltaic technologies is the ultimate goal in this direction. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) offer an efficient and easily implementing technology for future energy supply. Compared to conventional silicon solar cells, they provide comparable power conversion efficiency at low material and manufacturing costs. In addition, DSSCs are able to harvest low-intensity light in diffuse illumination conditions and then represent one of the most promising alternatives to the traditional photovoltaic technology, even more when trying to move towards flexible and transparent portable devices. Among these, considering the increasing demand of modern electronics for small, portable and wearable integrated optoelectronic devices, Fibre Dye-Sensitized Solar Cells (FDSSCs) have gained increasing interest as suitable energy provision systems for the development of the next-generation of smart products, namely “electronic textiles” or “e-textiles”. In this thesis, several key parameters towards the optimization of FDSSCs based on inexpensive and abundant TiO2 as photoanode and a new innovative fully organic sensitizer were studied. In particular, the effect of various FDSSCs components on the device properties pertaining to the cell architecture in terms of photoanode oxide layer thickness, electrolytic system, cell length and electrodes substrates were examined. The photovoltaic performances of the as obtained FDSSCs were fully characterized. Finally, the metal part of the devices (wire substrate) was substituted with substrates suitable for the textile industry as a fundamental step towards commercial exploitation.