Modeling Ultrafast Spectroscopy of the NADH Dimer: From UV-VIS to X-rays

Ultrafast pump-probe spectroscopy is a conceptually simple and versatile tool for resolving photoinduced dynamics in molecular systems. Due to the fast development of new experimental setups, such as synchrotron light sources and X-ray free electron lasers (XFEL), new spectral windows are becoming accessible. On the one hand, these sources have enabled scientist to access faster and faster time scales and to reach unprecedent insights into dynamical properties of matter. On the other hand, the complementarity of well-developed and novel techniques allows to study the same physical process from different points of views, integrating the advantages and overcoming the limitations of each approach. In this context, it is highly desirable to reach a clear understanding of which type of spectroscopy is more suited to capture a certain facade of a given photo-induced process, that is, to establish a correlation between the process to be unraveled and the technique to be used. In this thesis, I will show how computational spectroscopy can be a tool to establish such a correlation. I will study a specific process, which is the ultrafast energy transfer in the nicotinamide adenine dinucleotide dimer (NADH). This process will be observed in different spectral windows (from UV-VIS to X-rays), accessing the ability of different spectroscopic techniques to unravel the system evolution by means of state-of-the-art theoretical models and methodologies. The comparison of different spectroscopic simulations will demonstrate their complementarity, eventually allowing to identify the type of spectroscopy that is best suited to resolve the ultrafast energy transfer.

Statistical methods for the analysis of DNA sequences: application to dinucleotide distribution in the human genome

Questa tesi si inserisce nell'ambito delle analisi statistiche e dei metodi stocastici applicati all'analisi delle sequenze di DNA. Nello specifico il nostro lavoro è incentrato sullo studio del dinucleotide CG (CpG) all'interno del genoma umano, che si trova raggruppato in zone specifiche denominate CpG islands. Queste sono legate alla metilazione del DNA, un processo che riveste un ruolo fondamentale nella regolazione genica. La prima parte dello studio è dedicata a una caratterizzazione globale del contenuto e della distribuzione dei 16 diversi dinucleotidi all'interno del genoma umano: in particolare viene studiata la distribuzione delle distanze tra occorrenze successive dello stesso dinucleotide lungo la sequenza. I risultati vengono confrontati con diversi modelli nulli: sequenze random generate con catene di Markov di ordine zero (basate sulle frequenze relative dei nucleotidi) e uno (basate sulle probabilità di transizione tra diversi nucleotidi) e la distribuzione geometrica per le distanze. Da questa analisi le proprietà caratteristiche del dinucleotide CpG emergono chiaramente, sia dal confronto con gli altri dinucleotidi che con i modelli random. A seguito di questa prima parte abbiamo scelto di concentrare le successive analisi in zone di interesse biologico, studiando l’abbondanza e la distribuzione di CpG al loro interno (CpG islands, promotori e Lamina Associated Domains). Nei primi due casi si osserva un forte arricchimento nel contenuto di CpG, e la distribuzione delle distanze è spostata verso valori inferiori, indicando che questo dinucleotide è clusterizzato. All’interno delle LADs si trovano mediamente meno CpG e questi presentano distanze maggiori. Infine abbiamo adottato una rappresentazione a random walk del DNA, costruita in base al posizionamento dei dinucleotidi: il walk ottenuto presenta caratteristiche drasticamente diverse all’interno e all’esterno di zone annotate come CpG island. Riteniamo pertanto che metodi basati su questo approccio potrebbero essere sfruttati per migliorare l’individuazione di queste aree di interesse nel genoma umano e di altri organismi.