Genetic diversity and relationships in accessions from different cultivar groups and origins in the tree tomato (Solanum betaceum Cav.)

Abstract Tree tomato (Solanum betaceum) is an Andean small tree cultivated for its juicy fruits. Little information is available on the characterization of genetic resources and breeding of this neglected crop. We have studied the molecular diversity with AFLP markers using 11 combinations of primers of a collection of 25 S. betaceum accessions belonging to four cultivar groups, most of which had been previously morphologically characterized, as well as one accession of the wild relative S. cajanumense.Atotal of 197 AFLP fragments were scored, of which 84 (43 %) were polymorphic. When excluding S. cajanumense from the analysis, the number of polymorphic AFLP fragments was 78 (40 %). Unique AFLP fingerprints were obtained for every accession, but no AFLP fragments specific and universal to any of the four cultivar groups were found. The total genetic diversity (HT) of cultivated accessions was HT = 0.2904, while for cultivar groups it ranged from HT = 0.1846 in the orange group to HT = 0.2498 in the orange pointed group. Genetic differentiation among cultivar groups (GST) was low (GST = 0.2248), which was matched by low values of genetic distance among cultivar groups. The diversity of collections from Ecuador, which we hypothesize is a center of diversity for tree tomato, was similar to that from other origins (HT = 0.2884 and HT = 0.2645, respectively). Cluster and PCoA analyses clearly separated wild S. cajanumense from the cultivated species. However, materials of different cultivar groups and origins were intermingled in both analyses. The Mantel test correlation coefficient of the matrices of morphological and AFLP distances was low (-0.024) and non-significant. Overall, the results show that a wide diversity is present in each of the cultivar groups, indicate that Ecuador may be regarded as a center of accumulation of diversity for this crop, and confirm that AFLP and morphological characterization data are complementary. The results obtained are of value for the conservation of genetic resources and breeding of tree tomato, as an assessment of the genetic diversity and relationships among differen

Biometric authentication of users through iris by using key binding and similarity preserving hash functions = Autenticación biométrica de usuarios a través del iris mediante la ocultación de claves y funciones resumen que preservan la similitud

El extraordinario auge de las nuevas tecnologías de la información, el desarrollo de la Internet de las Cosas, el comercio electrónico, las redes sociales, la telefonía móvil y la computación y almacenamiento en la nube, han proporcionado grandes beneficios en todos los ámbitos de la sociedad. Junto a éstos, se presentan nuevos retos para la protección y privacidad de la información y su contenido, como la suplantación de personalidad y la pérdida de la confidencialidad e integridad de los documentos o las comunicaciones electrónicas. Este hecho puede verse agravado por la falta de una frontera clara que delimite el mundo personal del mundo laboral en cuanto al acceso de la información. En todos estos campos de la actividad personal y laboral, la Criptografía ha jugado un papel fundamental aportando las herramientas necesarias para garantizar la confidencialidad, integridad y disponibilidad tanto de la privacidad de los datos personales como de la información. Por otro lado, la Biometría ha propuesto y ofrecido diferentes técnicas con el fin de garantizar la autentificación de individuos a través del uso de determinadas características personales como las huellas dáctilares, el iris, la geometría de la mano, la voz, la forma de caminar, etc. Cada una de estas dos ciencias, Criptografía y Biometría, aportan soluciones a campos específicos de la protección de datos y autentificación de usuarios, que se verían enormemente potenciados si determinadas características de ambas ciencias se unieran con vistas a objetivos comunes. Por ello es imperativo intensificar la investigación en estos ámbitos combinando los algoritmos y primitivas matemáticas de la Criptografía con la Biometría para dar respuesta a la demanda creciente de nuevas soluciones más técnicas, seguras y fáciles de usar que potencien de modo simultáneo la protección de datos y la identificacíón de usuarios. En esta combinación el concepto de biometría cancelable ha supuesto una piedra angular en el proceso de autentificación e identificación de usuarios al proporcionar propiedades de revocación y cancelación a los ragos biométricos. La contribución de esta tesis se basa en el principal aspecto de la Biometría, es decir, la autentificación segura y eficiente de usuarios a través de sus rasgos biométricos, utilizando tres aproximaciones distintas: 1. Diseño de un esquema criptobiométrico borroso que implemente los principios de la biometría cancelable para identificar usuarios lidiando con los problemas acaecidos de la variabilidad intra e inter-usuarios. 2. Diseño de una nueva función hash que preserva la similitud (SPHF por sus siglas en inglés). Actualmente estas funciones se usan en el campo del análisis forense digital con el objetivo de buscar similitudes en el contenido de archivos distintos pero similares de modo que se pueda precisar hasta qué punto estos archivos pudieran ser considerados iguales. La función definida en este trabajo de investigación, además de mejorar los resultados de las principales funciones desarrolladas hasta el momento, intenta extender su uso a la comparación entre patrones de iris. 3. Desarrollando un nuevo mecanismo de comparación de patrones de iris que considera tales patrones como si fueran señales para compararlos posteriormente utilizando la transformada de Walsh-Hadarmard. Los resultados obtenidos son excelentes teniendo en cuenta los requerimientos de seguridad y privacidad mencionados anteriormente. Cada uno de los tres esquemas diseñados han sido implementados para poder realizar experimentos y probar su eficacia operativa en escenarios que simulan situaciones reales: El esquema criptobiométrico borroso y la función SPHF han sido implementados en lenguaje Java mientras que el proceso basado en la transformada de Walsh-Hadamard en Matlab. En los experimentos se ha utilizado una base de datos de imágenes de iris (CASIA) para simular una población de usuarios del sistema. En el caso particular de la función de SPHF, además se han realizado experimentos para comprobar su utilidad en el campo de análisis forense comparando archivos e imágenes con contenido similar y distinto. En este sentido, para cada uno de los esquemas se han calculado los ratios de falso negativo y falso positivo. ABSTRACT The extraordinary increase of new information technologies, the development of Internet of Things, the electronic commerce, the social networks, mobile or smart telephony and cloud computing and storage, have provided great benefits in all areas of society. Besides this fact, there are new challenges for the protection and privacy of information and its content, such as the loss of confidentiality and integrity of electronic documents and communications. This is exarcebated by the lack of a clear boundary between the personal world and the business world as their differences are becoming narrower. In both worlds, i.e the personal and the business one, Cryptography has played a key role by providing the necessary tools to ensure the confidentiality, integrity and availability both of the privacy of the personal data and information. On the other hand, Biometrics has offered and proposed different techniques with the aim to assure the authentication of individuals through their biometric traits, such as fingerprints, iris, hand geometry, voice, gait, etc. Each of these sciences, Cryptography and Biometrics, provides tools to specific problems of the data protection and user authentication, which would be widely strengthen if determined characteristics of both sciences would be combined in order to achieve common objectives. Therefore, it is imperative to intensify the research in this area by combining the basics mathematical algorithms and primitives of Cryptography with Biometrics to meet the growing demand for more secure and usability techniques which would improve the data protection and the user authentication. In this combination, the use of cancelable biometrics makes a cornerstone in the user authentication and identification process since it provides revocable or cancelation properties to the biometric traits. The contributions in this thesis involve the main aspect of Biometrics, i.e. the secure and efficient authentication of users through their biometric templates, considered from three different approaches. The first one is designing a fuzzy crypto-biometric scheme using the cancelable biometric principles to take advantage of the fuzziness of the biometric templates at the same time that it deals with the intra- and inter-user variability among users without compromising the biometric templates extracted from the legitimate users. The second one is designing a new Similarity Preserving Hash Function (SPHF), currently widely used in the Digital Forensics field to find similarities among different files to calculate their similarity level. The function designed in this research work, besides the fact of improving the results of the two main functions of this field currently in place, it tries to expand its use to the iris template comparison. Finally, the last approach of this thesis is developing a new mechanism of handling the iris templates, considering them as signals, to use the Walsh-Hadamard transform (complemented with three other algorithms) to compare them. The results obtained are excellent taking into account the security and privacy requirements mentioned previously. Every one of the three schemes designed have been implemented to test their operational efficacy in situations that simulate real scenarios: The fuzzy crypto-biometric scheme and the SPHF have been implemented in Java language, while the process based on the Walsh-Hadamard transform in Matlab. The experiments have been performed using a database of iris templates (CASIA-IrisV2) to simulate a user population. The case of the new SPHF designed is special since previous to be applied i to the Biometrics field, it has been also tested to determine its applicability in the Digital Forensic field comparing similar and dissimilar files and images. The ratios of efficiency and effectiveness regarding user authentication, i.e. False Non Match and False Match Rate, for the schemes designed have been calculated with different parameters and cases to analyse their behaviour.

Caracterización de poblaciones de vid silvestre de la Península Ibérica

La vid silvestre se considera como el ancestro autóctono de las vides cultivadas y una enorme reserva genética en peligro de extinción. La prospección llevada a cabo entre 2003 y 2004 permitió catalogar 51 localizaciones de vides silvestres españolas, la mayoría de ellas ubicadas en riberas de ríos. Estos ejemplares se incluyeron en el Banco de Germoplasma de la Finca "El Encín" (BGVCAM - Alcalá de Henares, Madrid, España). En primer lugar, se caracterizó la cantidad y la distribución de su diversidad genética utilizando 25 loci empleando microsatélites nucleares (SSR). Hemos analizado también la posible coexistencia en el hábitat natural de vides silvestres con vides cultivadas naturalizadas y portainjertos. De este modo, los análisis fenotípicos y genéticos identificaron el 19% de las muestras recogidas como derivadas de genotipos cultivados, siendo, o bien vides cultivadas naturalizadas o genotipos híbridos derivados de cruces espontáneos entre vides silvestres y cultivadas. La diversidad genética de las poblaciones de vides silvestres fue similar a la observada en el grupo de las cultivadas. El análisis molecular mostró que el germoplasma de cultivadas y silvestres es genéticamente divergente con bajo nivel de introgresión. Se ha identificado cuatro grupos genéticos, con dos de ellos fundamentalmente representados por los genotipos de vides cultivadas y dos por las accesiones silvestres. El análisis de los vínculos genéticos entre las vides silvestres y cultivadas podría sugerir una contribución genética de las accesiones silvestres españolas a las actuales variedades occidentales. En segundo lugar, se realizó un profundo estudio morfológico "ex situ " y se contrastaron con los resultados de la caracterización realizada en 182 variedades comerciales españolas de la misma colección. Todos los individuos silvestres mostraron diferencias morfológicas con Vitis vinifera L subsp. vinifera, pero no se encontraron diferencias significativas dentro Vitis vinifera L. subsp. sylvestris, ni por localización geográfica ni por sexo. Los resultados de este estudio describen las principales características morfológicas de las vides silvestres españolas y sus rasgos diferenciales con su pariente cultivada. Por último, se analizó la composición antociánica presente en 21 accesiones de vides silvestres de la Península Ibérica conservadas en el BGVCAM de la Finca "El Encín" y seleccionadas basándose en diferencias ampelográficas y caracterización molecular. La concentración de antocianinas es similar la encontrad en vides cultivadas con destino a la vinificación. Las accesiones estudiadas mostraron una variabilidad considerable en su perfil antociánico y fue posible distinguir varios grupos. Sin embargo, la presencia de material silvestre con perfiles antociánicos poco comunes o inexistentes en variedades españolas, sugiere que la variabilidad genética relacionada con antocianinas en poblaciones españolas de vides silvestres podría ser más alta que la de variedades cultivadas comúnmente consideradas de origen español. ABSTRACT The wild grapevine is considered an autochthonous relative of cultivated vines and a huge gene pool endangered in Europe. Prospecting carried out between 2003 and 2004 enabled to inventory 51 Spanish sites with wild grapevines, most of them located near rivers. These individuals were grafted in the collection of "El Encín" (BGVCAM - Alcalá de Henares, Madrid, Spain). Firstly, werw characterized the amount and distribution of their genetic diversity using 25 nuclear SSR loci. We have also analysed the possible coexistence in the natural habitat of wild grapevines with naturalized grapevine cultivars and rootstocks. In this way, phenotypic and genetic analyses identified 19% of the collected samples as derived from cultivated genotypes, being either naturalized cultivars or hybrid genotypes derived from spontaneous crosses between wild and cultivated grapevines. The genetic diversity of wild grapevine populations was similar than that observed in the cultivated group. The molecular analysis showed that cultivated germplasm and wild germplasm are genetically divergent with low level of introgression. We identified four genetic groups, with two of them fundamentally represented among cultivated genotypes and two among wild accessions. The analyses of genetic relationships between wild and cultivated grapevines could suggest a genetic contribution of wild accessions from Spain to current Western cultivars. Secondly, a morphological study was done "ex situ" and were compared with data from 182 Spanish commercial cultivars grown in the same collection. All wild individuals showed morphological differences with Vitis vinifera L. ssp. vinifera but no significant differences were found within Vitis vinifera L subsp. sylvestris neither by geographic origin nor by sex. A pattern with the main characteristics of Spanish wild grapevines is suggested. Ultimately, were investigated the anthocyanin composition of 21 mostly Spanish wild grapevine accessions preserved at BGVCAM "El Encín" and selected in consideration of observed ampelographic differences and molecular characterization. Total anthocyanin concentration was similar to that found in winegrape cultivars. The accessions studied showed considerable variability in their anthocyanin fingerprints and it was possible to distinguish several groups, similar to previous reports on the anthocyanin fingerprint of winegrapes. The anthocyanin composition of wild grapevine accessions was similar to that of cultivated grapes. Nevertheless, the presence of wild accessions with anthocyanin fingerprints uncommon or nonexistent in Spanish cultivated varieties suggests that the genetic variability related to anthocyanins in Spanish wild grapevine populations may be higher than that of cultivated varieties commonly considered of Spanish origin.

Direct isolation of human transcribed sequences from yeast artificial chromosomes through the application of RNA fingerprinting

The identification of cDNA clones from genomic regions known to contain human genes is usually the rate-limiting factor in positional cloning strategies. We demonstrate here that human genes present on yeast artificial chromosomes (YACs) are transcribed in yeast host cells. We have used the arbitrarily primed RNA (RAP) fingerprinting method to identify human-specific, transcribed sequences from YACs located in the 13q12 chromosome region. By comparing the RAP fingerprints generated using defined, arbitrary primers from various fragmented YACs, megaYACs, and host yeast, we were able to identify and map 20 products transcribed from the human YAC inserts. This method, therefore, permits the simultaneous isolation and mapping of novel expressed sequences directly from whole YACs.

Multiple-complete-digest restriction fragment mapping: Generating sequence-ready maps for large-scale DNA sequencing

Multiple-complete-digest mapping is a DNA mapping technique based on complete-restriction-digest fingerprints of a set of clones that provides highly redundant coverage of the mapping target. The maps assembled from these fingerprints order both the clones and the restriction fragments. Maps are coordinated across three enzymes in the examples presented. Starting with yeast artificial chromosome contigs from the 7q31.3 and 7p14 regions of the human genome, we have produced cosmid-based maps spanning more than one million base pairs. Each yeast artificial chromosome is first subcloned into cosmids at a redundancy of ×15–30. Complete-digest fragments are electrophoresed on agarose gels, poststained, and imaged on a fluorescent scanner. Aberrant clones that are not representative of the underlying genome are rejected in the map construction process. Almost every restriction fragment is ordered, allowing selection of minimal tiling paths with clone-to-clone overlaps of only a few thousand base pairs. These maps demonstrate the practicality of applying the experimental and software-based steps in multiple-complete-digest mapping to a target of significant size and complexity. We present evidence that the maps are sufficiently accurate to validate both the clones selected for sequencing and the sequence assemblies obtained once these clones have been sequenced by a “shotgun” method.

A knob-associated tandem repeat in maize capable of forming fold-back DNA segments: Are chromosome knobs megatransposons?

A class of tandemly repeated DNA sequences (TR-1) of 350-bp unit length was isolated from the knob DNA of chromosome 9 of Zea mays L. Comparative fluorescence in situ hybridization revealed that TR-1 elements are also present in cytologically detectable knobs on other maize chromosomes in different proportions relative to the previously described 180-bp repeats. At least one knob on chromosome 4 is composed predominantly of the TR-1 repeat. In addition, several small clusters of the TR-1 and 180-bp repeats have been found in different chromosomes, some not located in obvious knob heterochromatin. Variation in restriction fragment fingerprints and copy number of the TR-1 elements was found among maize lines and among maize chromosomes. TR-1 tandem arrays up to 70 kilobases in length can be interspersed with stretches of 180-bp tandem repeat arrays. DNA sequence analysis and restriction mapping of one particular stretch of tandemly arranged TR-1 units indicate that these elements may be organized in the form of fold-back DNA segments. The TR-1 repeat shares two short segments of homology with the 180-bp repeat. The longest of these segments (31 bp; 64% identity) corresponds to the conserved region among 180-bp repeats. The polymorphism and complex structure of knob DNA suggest that, similar to the fold-back DNA-containing giant transposons in Drosophila, maize knob DNA may have some properties of transposable elements.

The InterPro database, an integrated documentation resource for protein families, domains and functional sites

Signature databases are vital tools for identifying distant relationships in novel sequences and hence for inferring protein function. InterPro is an integrated documentation resource for protein families, domains and functional sites, which amalgamates the efforts of the PROSITE, PRINTS, Pfam and ProDom database projects. Each InterPro entry includes a functional description, annotation, literature references and links back to the relevant member database(s). Release 2.0 of InterPro (October 2000) contains over 3000 entries, representing families, domains, repeats and sites of post-translational modification encoded by a total of 6804 different regular expressions, profiles, fingerprints and Hidden Markov Models. Each InterPro entry lists all the matches against SWISS-PROT and TrEMBL (more than 1 000 000 hits from 462 500 proteins in SWISS-PROT and TrEMBL). The database is accessible for text- and sequence-based searches at http://www.ebi.ac.uk/interpro/. Questions can be emailed to interhelp@ebi.ac.uk.

Targeted development of informative microsatellite (SSR) markers

We describe a novel approach, selectively amplified microsatellite (SAM) analysis, for the targeted development of informative simple sequence repeat (SSR) markers. A modified selectively amplified microsatellite polymorphic loci assay is used to generate multi-locus SSR fingerprints that provide a source of polymorphic DNA markers (SAMs) for use in genetic studies. These polymorphisms capture the repeat length variation associated with SSRs and allow their chromosomal location to be determined prior to the expense of isolating and characterising individual loci. SAMs can then be converted to locus-specific SSR markers with the design and synthesis of a single primer specific to the conserved region flanking the repeat. This approach offers a cost-efficient and rapid method for developing SSR markers for predetermined chromosomal locations and of potential informativeness. The high recovery rate of useful SSR markers makes this strategy a valuable tool for population and genetic mapping studies. The utility of SAM analysis was demonstrated by the development of SSR markers in bread wheat.

Defective regulatory volume decrease in human cystic fibrosis tracheal cells because of altered regulation of intermediate conductance Ca2+-dependent potassium channels

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) protein has the ability to function as both a chloride channel and a channel regulator. The loss of these functions explains many of the manifestations of the cystic fibrosis disease (CF), including lung and pancreatic failure, meconium ileus, and male infertility. CFTR has previously been implicated in the cell regulatory volume decrease (RVD) response after hypotonic shocks in murine small intestine crypts, an effect associated to the dysfunction of an unknown swelling-activated potassium conductance. In the present study, we investigated the RVD response in human tracheal CF epithelium and the nature of the volume-sensitive potassium channel affected. Neither the human tracheal cell line CFT1, expressing the mutant CFTR-ΔF508 gene, nor the isogenic vector control line CFT1-LC3, engineered to express the βgal gene, showed RVD. On the other hand, the cell line CFT1-LCFSN, engineered to express the wild-type CFTR gene, presented a full RVD. Patch-clamp studies of swelling-activated potassium currents in the three cell lines revealed that all of them possess a potassium current with the biophysical and pharmacological fingerprints of the intermediate conductance Ca2+-dependent potassium channel (IK, also known as KCNN4). However, only CFT1-LCFSN cells showed an increase in IK currents in response to hypotonic challenges. Although the identification of the molecular mechanism relating CFTR to the hIK channel remains to be solved, these data offer new evidence on the complex integration of CFTR in the cells where it is expressed.

Complete congruence between gene diversity estimates derived from genotypic data at enzyme and random amplified polymorphic DNA loci in black spruce.

Controversy still exists over the adaptive nature of variation of enzyme loci. In conifers, random amplified polymorphic DNAs (RAPDs) represent a class of marker loci that is unlikely to fall within or be strongly linked to coding DNA. We have compared the genetic diversity in natural populations of black spruce [Picea mariana (Mill.) B.S.P.] using genotypic data at allozyme loci and RAPD loci as well as phenotypic data from inferred RAPD fingerprints. The genotypic data for both allozymes and RAPDs were obtained from at least six haploid megagametophytes for each of 75 sexually mature individuals distributed in five populations. Heterozygosities and population fixation indices were in complete agreement between allozyme loci and RAPD loci. In black spruce, it is more likely that the similar levels of variation detected at both enzyme and RAPD loci are due to such evolutionary forces as migration and the mating system, rather than to balancing selection and overdominance. Furthermore, we show that biased estimates of expected heterozygosity and among-population differentiation are obtained when using allele frequencies derived from dominant RAPD phenotypes.

Genomic DNA fingerprinting by restriction fragment end labeling.

A typing method for bacteria was developed and applied to several species, including Escherichia coli and Actinobacillus actinomycetemcomitans. Total genomic DNA was digested with a restriction endonuclease, and fragments were enabled with [alpha-32P]dATP by using the Klenow fragment of DNA polymerase and separated by electrophoresis in 6% polyacrylamide/8 M urea (sequencing gel). Depending on the restriction endonuclease and the bacterium, the method produced approximately 30-50 well-separated fragments in the size range of 100-400 nucleotides. For A. actinomycetemcomitans, all strains had bands in common. Nevertheless, many polymorphisms could be observed, and the 31 strains tested could be classified into 29 distinct types. Furthermore, serotype-specific fragments could be assigned for the three serotypes investigated. The method described is very sensitive, allowing more distinct types to be distinguished than other commonly used typing methods. When the method was applied to 10 other clinically relevant bacterial species, both species-specific bands and strain-specific bands were found. Isolates from different locations of one patient showed indistinguishable patterns. Computer-assisted analysis of the DNA fingerprints allowed the determination of similarity coefficients. It is concluded that genomic fingerprinting by restriction fragment end labeling (RFEL) is a powerful and generally applicable technique to type bacterial species.

Extreme clonal uniformity of Phoxinus eos/neogaeus gynogens (pisces: Cyprinidae) among variable habitats in northern Minnesota beaver ponds.

Genetic surveys of parthenogenetic vertebrate populations have demonstrated a common pattern of relatively high degrees of clonal variation and the coexistence of numerous clones. In striking contrast, the Phoxinus eos/Phoxinus neogaeus/hybrid gynogen complex of cyprinid fishes exhibits no clonal variation within a northern Minnesota drainage characterized by successional beaver ponds. Gynogens were sampled from three habitats in each of four different pond types in a single drainage in Voyageurs National Park, Minnesota. The abundance of gynogens relative to sexual dace varied with pond type, being least common in deep upland ponds and most common in shallow, collapsed, lowland ponds (13.4% and 48.6%, respectively). Simple-sequence multilocus DNA fingerprinting of 464 individual gynogens detected one, and only one, clone. DNA fingerprints, generated sequentially by using three oligonucleotide probes, (CAC)5, (GACA)4, and the Jeffreys' 33.15 probe, all revealed the same unprecedented lack of variation. The extreme lack of clonal diversity in these gynogens across a range of habitat types does not fit the general pattern of high clonal diversity found within populations of other vertebrate parthenogens.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.