Estudio de las modificaciones conformacionales y su influencia en la actividad inmunológica de péptidos derivados de las familias de las proteínas spect-1 y -2, siap-1 y -2 de plasmodium falciparum

SPECT-1 y -2 y SIAP-1 y -2 son proteínas pertenecientes al esporozoíto de Plasmodium falciparum causante de la malaria más agresiva en los humanos. Estas proteínas están involucradas en el paso del parásito a través de las células del hospedero humano y en la invasión del hepatocito, haciéndolas blancos atractivos para ser estudiadas. Péptidos conservados de alta capacidad de unión (cHABPs) a células HeLa y HepG2 derivados de estas moléculas son no inmunogénicos porque son incapaces de generar una respuesta inmunitaria, pero son claves para el parásito porque cumplen una función importante durante la infección del hospedero humano. En este trabajo se encontró que algunos cHABPs pertenecientes a las proteínas SPECT-1 y -2, están posiblemente involucrados con la unión y formación de poros sobre la membrana de las células hospederas, ayudando al esporozoíto a abrirse paso través de las células del hospedero. Por otro lado, con el fin de cambiar el comportamiento inmunológico de cHABPs derivados de SPECT-1 y -2 y SIAP-1 y -2, se obtuvieron nuevos péptidos mediante el reemplazo de aminoácidos críticos por otros residuos cuya masa molecular sea similar, pero diferente en su polaridad. En este trabajo se reporta que dichas modificaciones promovieron cambios en la estructura secundaria (determinada por DC o 1H-RMN) de los péptidos modificados (mHABPs) cuando se comparó con la estructura de los cHABPs nativos; adicionalmente, estos mHABPs invirtieron su comportamiento inmunológico convirtiéndose en péptidos inmunogénicos inductores de anticuerpos. Lo que permite establecer la existencia de una relación entre la estructura que adoptan estos mHABPs con su actividad inmunológica. Además, algunos de los mHABPs estudiados aquí, pueden ser candidatos a ser incluidos en la vacuna contra la malaria químicamente sintetizada multi-epitope y multi-estadio que se está desarrollando en la Fundación Instituto de Inmunología de Colombia (FIDIC).

Estudio conformacional de péptidos modificados de las proteínas STARP, CelTOS, TRSP y SERA 5 de Plasmodium falciparum y su relación con una respuesta inmune en malaria

El desarrollo de una vacuna contra malaria es un área de exploración activa pero con enormes retos debido especialmente a la complejidad del ciclo del parásito. Así, es necesario bloquear las diferentes etapas de la invasión que tiene el Plasmodium falciparum y extraer de ellas la mayor información posible de la artillería que utiliza para su ataque. Para esto, péptidos de las proteínas STARP, CelTOS y TRSP (del esporozoito) y SERA 5 (del merozoito) que tienen alta afinidad de unión a células HepG2 y a glóbulos rojos respectivamente (conocidos como cHABPs), han sido modificados (conocidos como mHABPs), sintetizados y evaluados a nivel de respuesta inmune en monos Aotus así como estudiados en su conformación estructural por RMN de 1H. Los resultados muestran que los péptidos nativos no son inmunogénicos, pero pueden inducir altos títulos de anticuerpos cuando sus residuos críticos o sus vecinos son reemplazados por otro con un volumen y masa similar, pero diferente polaridad. El estudio conformacional pone de manifiesto que las estructuras de los péptidos nativos son diferentes de sus péptidos modificados ya sea que muestren regiones estructuradas más cortas o más largas o que no presenten ninguna, en comparación con sus análogos modificados altamente inmunogénicos. Las características estereoquímicas particulares en las cadenas laterales de algunos residuos de aminoácidos de estos péptidos modificados así como los rasgos fisicoquímicos parecen jugar un rol importante en la respuesta inmune apropiada cuando estos fueron inmunizados en grupos de monos Aotus confiriendo un avance al diseño de una vacuna contra malaria totalmente eficaz.

Novel bio-based amine curing agents for epoxy resins: the way towards fully bio-based composite materials

Epoxy resins are widely used in many applications, such as paints, adhesives and matrices for composites materials, since they present the possibility to be easily and conveniently tailored in order to display a unique combination of characteristics. In literature, various examples of bio-based epoxy resins produced from a wide range of renewable sources can be found. Nevertheless, the toxicity and safety of curing agents have not been deeply investigated and it was observed that all of them still present some environmental drawback. Therefore, the development of new environmentally friendly fully bio-based epoxy systems is of great importance for designing green and sustainable materials. In this context, the present project aims at further exploring the possibility of using bio-based compounds as curing agents for epoxy resin precursors. A preliminary evaluation of several amine-based compounds demonstrated the feasibility of using Adenine as epoxy resin hardener. In order to better understand the crosslinking mechanism, the reaction of Adenine with the mono-epoxy compound Glycidyl 2-methylphenyl ether (G2MPE), was study by 1H-NMR analysis. Then Adenine was investigated as hardener of Diglycidil ether of bisphenol A (DGEBA), which is the simplest epoxy resin based on bisphenol A, in order to determine the best hardener/resin stoichiometric ratio, and evaluate the crosslinking kinetics and conversion and the final mechanical properties of the cured resin. Then, Adenine was tested as hardener of commercial epoxy resins, in particular the infusion resin Elan-tron® EC 157 (Elantas), the impregnation resin EPON™ Resin 828 (Hexion) and the bio-based resin SUPER SAP® CLR (Entropyresins). Such systems were used for the production of composites materials reinforced with chopped recycled carbon fibers and natural fibers (flax and jute). The thermo-mechanical properties of these materials have been studied in comparison with those ones of composites obtained with the same thermosetting resin reinforced with chopped virgin carbon fibers.

Scaffold biocompatibile ottenuto da copoliestere multiblocco del PBS per applicazioni nell'ingegneria tissutale del miocardio

L'ingegneria tissutale è una branca delle scienze biomediche che negli ultimi anni si sta sviluppando come mezzo risolutivo per numerose problematiche mediche. Un'applicazione di particolare importanza è il trattamento di patologie cardiovascolari, le quali sono una delle principali cause di morte nel mondo. La mancanza di tessuto autologo e i problemi legati alle terapie cardiache, hanno incentivato numerosi studi basati sulla ricerca di biomateriali adeguati alla realizzazione di tessuti sintetici sostitutivi. In questo ambito, il polibutilene succinato (PBS) riveste sicuramente un ruolo importante. La sua biocompatibilità insieme alla biodegradabilità, non sono però sufficienti a renderlo idoneo ad applicazioni miocardiche, a causa dell’elevata rigidità. Allo scopo di migliorare le proprietà meccaniche del PBS nell’ottica di un’applicazione nel campo della rigenerazione del tessuto cardiaco, ma senza andare a detrimento delle proprietà già buone, il presente lavoro di Tesi propone un nuovo copolimero a base di PBS. Tale materiale è stato ottenuto tramite reazione di estensione di catena di un blocco hard (PBS) e un blocco soft (costituito da un copolimero statistico P(BSNS)). Il materiale ottenuto è stato analizzato sia sottoforma di film che di scaffold. Dopo una prima caratterizzazione molecolare (1H-NMR e GPC), il copolimero multiblocco è stato sottoposto anche ad analisi termica (DSC e TGA), diffrattometrica (WAXS) e meccanica. Si è evidenziato un miglioramento della stabilità termica e soprattutto una diminuzione del modulo elastico unitamente all’aumento dell’allungamento a rottura, in particolare nello scaffold. E’ stata inoltre valutata la velocità di degradazione idrolitica, evidenziandone una riduzione rispetto all’omopolimero. I risultati ottenuti confermano il miglioramento delle proprietà non soddisfacenti del PBS, indicando il copolimero multiblocco, oggetto della presenti Tesi, come materiale più idoneo alle applicazioni sopracitate.

Nuovi copoliesteri statistici 100% biobased con eccellenti proprietà meccaniche e barriera, per un packaging ecosostenibile

L’incremento mondiale nel consumo di materie plastiche registrato negli ultimi ottant’anni, ha portato all’insorgere di diverse problematiche ambientali, legate allo smaltimento dei rifiuti e all’eccessivo sfruttamento dei giacimenti petroliferi. La situazione risulta particolarmente difficoltosa nel settore di massimo utilizzo delle plastiche: il food packaging. Una delle possibili soluzioni è l’utilizzo di bioplastiche, soprattutto quelle derivanti da biomassa. Fra queste, di particolare interesse sono i biopolimeri a base di acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), come il poli(butilene furanoato) (PBF) dotato di ottime proprietà meccaniche, termiche e barriera, ma caratterizzato al contempo da eccessiva rigidità. Il presente lavoro di Tesi Magistrale si propone di modulare le proprietà del PBF, mediante copolimerizzazione con acido isoftalico, monomero biobased e in grado di conferire buone proprietà barriera al materiale finale. I due monomeri aromatici, in diversa percentuale molare, sono stati polimerizzati con 1,4-butandiolo, ottenendo un sistema copolimerico poli(butilene furanoato-co-isoftalato) 100% biobased. I materiali sintetizzati sono stati sottoposti a caratterizzazione molecolare (1H-NMR, 13C-NMR e GPC), termica (TGA e DSC), diffrattometrica (WAXS), analisi meccanica e prove barriera. Essi hanno mostrato ottime proprietà meccaniche, con riduzione del modulo elastico e aumento dell’allungamento a rottura all’aumentare della percentuale di unità isoftalica impiegata, ottima stabilità termica (oltre 350°C) e proprietà barriera confrontabili con quelle dei polimeri di derivazione petrolchimica, attualmente utilizzati nel campo degli imballaggi. I risultati ottenuti mostrano come la copolimerizzazione abbia permesso di migliorare le proprietà non soddisfacenti del PBF, senza andare a detrimento di quelle già buone, nell’ottica dell’applicazione finale.

Studio dell’adenina come indurente per resine epossidiche e produzione di materiali compositi da fonti rinnovabili

A causa di una maggiore preoccupazione ambientale, la ricerca si sta muovendo verso lo sviluppo di nuovi prodotti bio-based. Il progetto è stato incentrato sulla possibilità di produrre materiali compositi utilizzando un sistema resina-indurente interamente ottenuto da fonti rinnovabili con fibre naturali totalmente green e sintetiche. In particolare, è stata studiata la possibilità di utilizzare l’adenina, una molecola atossica e derivante da fonte rinnovabile, per la produzione di compositi con fibre di lino, juta, carbonio vergine e riciclato con resina epossidica da fonte bio. In particolare è stato ottimizzato il ciclo di cura e sono state caratterizzate le proprietà termiche e meccaniche dei materiali prodotti mediante analisi DSC (Differential Scanning Calorimetry), DMA (Dynamic Mechanical Analysis) e TGA (Termo-Gravimetric-Analysis). Per comprendere meglio la reticolazione delle resine epossidiche, si è studiato il meccanismo di reazione tra l’adenina e un precursore epossidico attraverso spettroscopia 1H-NMR (Nuclear Magnetic Resonance).

Study of the second hyperpolarizability of poly(3-alkylthiophenes) using the third-harmonic scattering technique

During the past years, the considerable need in the domain of communications for more potent photonic devices has focused the research activities into the nonlinear optical (NLO) materials which can be used for modern optical switches. In this regard, a lot of research activities are focused on the organic materials and conjugated polymers which offer more advantages compared to the inorganic ones. On this matter, poly(3-alkylthiophene) (P3AT), an organic conjugated polymer, can be investigated as potential optical material with in particular the focus on the NLO properties such as the first- and second-hyperpolarizability, β and γ respectively. The activities carried out at the Laboratory of Polymer Synthesis of the KU Leuven, during the master's thesis work, focused on the study of conjugated polymers in order to evaluate their NLO properties for the future purpose of applications in optical systems. In particular, three series of polythiophenes functionalized with an alkyl side chain in the 3-position were synthesized: poly(3-hexylthiophene) (P3HT), poly[3-(2-ethylhexyl)thiophene] (P3EHT) and random copolymer of the two regio-isomers of P3HT. They were made in order to study the influence of molar mass, branching and regio-irregularity on the γ-value. The Kumada catalyst transfer condensative polymerization (KCTCP) and the Pd(RuPhos)-protocol were used for the polymerizations in order to have control over the molar mass of the growing chain and consequently to obtain well-defined and reproducible materials. The P3AT derivatives obtained were characterized by gel permeation chromatography (GPC), spectroscopic techniques (1H-NMR, UV-Vis) and the γ-value was investigated using the third-harmonic scattering (THS) technique. In particular, the THS technique is useful to investigate the optical behavior of the series of polymers in solution.

Sintesi e proprietà fotovoltaiche di politiofeni water- soluble

Nell’ottica di una limitazione dello sfruttamento di fonti fossili, della diminuzione delle emissioni di gas serra e dell’introduzione, nel mercato energetico, di dispositivi fotovoltaici organici (OPVs) che permettano di sfruttare l’energia solare conferendo leggerezza e flessibilità alle celle fotovoltaiche, è stato sintetizzato un nuovo polialchiltiofene contenente unità elettron-donatrici e accettrici in catena principale, da testare come strato fotoattivo all’interno di un dispositivo OPV. In particolare, a partire da 1,6-dibromoesano e 3-bromotiofene, è stato preparato 4,7-bis(3-(6-bromoesil)tiofen-2-il)-2,1,3-benzotiadiazolo mediante reazione di cross-coupling di Suzuki con l’estere pinacolico dell'acido 2,1,3-benzotiadiazolo-4,7-bis(boronico) e, successivamente, polimerizzato via metodo ossidativo con FeCl3. Il polimero ottenuto, poli(4,7-bis(3-(6-bromoesil)tiofen-2-il)-2,1,3-benzotiadiazolo), è stato caratterizzato mediante analisi TGA, DSC, FTIR-ATR, GPC, 1H-NMR e UV-Vis. Verrà, in seguito, post-funzionalizzato con tributilfosfina per ottenere un polimero ionico solubile in acqua o in solventi polari, al fine di evitare l’impiego di solventi aromatici o clorurati durante la deposizione del film polimerico all’interno della cella fotovoltaica.

Ottimizzazione della crotilborazione asimmetrica di dialchil-azodicarbossilati

A differenza di allil- e crotilborazioni realizzate su aldeidi e chetoni, la crotilborazione di azodicarbossilati rappresenta un terreno ancora inesplorato in sintesi asimmetrica. Per sviluppare un processo catalitico ed enantioselettivo è stato pertanto necessario valutare singolarmente l’effetto di ciascuno dei fattori in grado di influenzare l’andamento della reazione, ovvero: catalizzatore, quantità relative di reagenti, temperatura, alcoli ausiliari, additivi, solventi e composizione della miscela di reazione. Dopo aver ottimizzato le condizioni operative affinché si raggiungesse la massima enantioselettività possibile, è stato effettuato uno studio del meccanismo di reazione tramite spettroscopia 1H NMR. L’indagine ha permesso di individuare le specie cataliticamente attive ed avere maggiori informazioni sulla cinetica della crotilborazione. Rispetto alla fase iniziale di sviluppo della reazione, l’ottimizzazione delle condizioni operative ha consentito di aumentare notevolmente sia la resa che l’eccesso enantiomerico. Le informazioni ricavate nel corso del progetto hanno inoltre portato a una maggiore comprensione del processo catalitico, che potrà essere sfruttata per incrementare ulteriormente l’efficienza e la selettività della reazione di crotilborazione in esame.

Sintesi e studio dell'attività catalitica, in reazioni di idrogenazione e trasferimento di idrogeno, di cluster carbonilici idrurici di rutenio e iridio

Il presente elaborato finale è incentrato sulla sintesi, caratterizzazione e studio della reattività di nuovi cluster idrurici carbonilici di rutenio e iridio a bassa nuclearità; inoltre, l’attività catalitica di suddetti cluster è stata valutata in modo preliminare in reazioni di idrogenazione e trasferimento di idrogeno. In particolare è stata ottimizzata la sintesi del composto [NEt4][H2Ru3Ir(CO)12] (2), cluster principale dello studio catalitico, e sono stati sintetizzati altri cinque cluster bimetallici Ru-Ir di cui non risulta nota la struttura in letteratura: [H3Ru3Ir(CO)12] (3), [PPN]2[H2Ru3Ir(CO)12] (4a) ([PPN]+= [N(PPh3)2]+), [NEt4][HRu3Ir2(CO)12(COD)] (5) (COD = C8H12) e [H2Ru3Ir2(CO)10(COD)2]-[HRu2Ir3(CO)12(COD)2] (miscela 1:1) (6). Tutte le specie ottenute sono state caratterizzate mediante diffrazione a raggi X su cristallo singolo (SC-XRD), spettrometria di massa ESI-MS, spettroscopia IR e 1H-NMR. Il cluster 2 è risultato attivo nella reazione di idrogenazione di doppi legami polari mediante meccanismo di H transfer, utilizzando iPrOH come fonte di idrogeno, e 4-fluoro acetofenone come substrato modello; inoltre, con l'utilizzo di un'autoclave, si sono condotte prove di idrogenazione sotto pressione di idrogeno molecolare H2 utilizzando come substrato trans-cinnamaldeide, al fine di valutare l'effetto del catalizzatore sia in presenza di gruppi C=O che di un doppio legame C=C (aldeide α,β insatura).

A take on complexity: bio-molecules and human metabolism interaction modelling for health and nutrition with machine learning

The advent of omic data production has opened many new perspectives in the quest for modelling complexity in biophysical systems. With the capability of characterizing a complex organism through the patterns of its molecular states, observed at different levels through various omics, a new paradigm of investigation is arising. In this thesis, we investigate the links between perturbations of the human organism, described as the ensemble of crosstalk of its molecular states, and health. Machine learning plays a key role within this picture, both in omic data analysis and model building. We propose and discuss different frameworks developed by the author using machine learning for data reduction, integration, projection on latent features, pattern analysis, classification and clustering of omic data, with a focus on 1H NMR metabolomic spectral data. The aim is to link different levels of omic observations of molecular states, from nanoscale to macroscale, to study perturbations such as diseases and diet interpreted as changes in molecular patterns. The first part of this work focuses on the fingerprinting of diseases, linking cellular and systemic metabolomics with genomic to asses and predict the downstream of perturbations all the way down to the enzymatic network. The second part is a set of frameworks and models, developed with 1H NMR metabolomic at its core, to study the exposure of the human organism to diet and food intake in its full complexity, from epidemiological data analysis to molecular characterization of food structure.

Metabolomics to investigate the effects of treatments on food and of food consumption on health

Metabolomics has established itself as a discipline that can offer a unique point of view on how a technological treatment could impact on the charactersitics of a food. Even more, the same analytical platforms necessary for the purpose can also effectively unravel intricate interactions between such food and human health upon consumption. This PhD thesis investigates the application of metabolomics in understanding the impact of technological treatments on food and their subsequent effects on human health, utilizing 1H-NMR as the analytical platform. The study involves the development of standard operating procedures (SOPs) to ensure a fast and stable preparation of seafood samples, incorporating novel algorithms to enhance the accuracy of metabolome profiles. To gain insight on how metabolomics can allow exploring the effects of a technological treatment on a food, we performed three sets of experiments to investigate the application of metabolomics in studying the impact of high hydrostatic pressure (HHP) treatment on seafood metabolome during storage. The first experiment employs untargeted metabolomic analysis on chill-stored rose shrimp, revealing significant post-HHP treatment metabolic alterations and mechanisms. The investigation is extended to grey mullet in the second experiment, utilizing both untargeted and targeted metabolomic analyses to account for matrix-related effects. The third experiment assesses the targeted metabolome of striped prawns, showing that HHP significantly influences metabolic pathways, positively impacting freshness and taste through alterations in related metabolites. Shifting focus to the effects of food on humans, the study explores the impact of multistrain probiotics on cirrhosis patients using 1H-NMR. The platform reveals notable alterations in glutamine/glutamate metabolism, enhancing the patients' ammonia detoxification capacity. This research underscores the potential of metabolomics in uncovering intricate interactions between technological treatments, food, and human health, providing valuable insights for both the food industry and healthcare interventions.

1H-[13C] NMR spectroscopy of the rat brain during infusion of [2-13C] acetate at 14.1 T.

Full signal intensity (1)H-[(13)C] NMR spectroscopy, combining a preceding (13)C-editing block based on an inversion BISEP (B(1)-insensitive spectral editing pulse) with a spin-echo coherence-based localization, was developed and implemented at 14.1 T. (13)C editing of the proposed scheme was achieved by turning on and off the (13)C adiabatic full passage in the (13)C-editing block to prepare inverted and noninverted (13)C-coupled (1)H coherences along the longitudinal axis prior to localization. The novel (1)H-[(13)C] NMR approach was applied in vivo under infusion of the glia-specific substrate [2-(13)C] acetate. Besides a approximately 50% improvement in sensitivity, spectral dispersion was enhanced at 14.1 T, especially for J-coupled metabolites such as glutamate and glutamine. A more distinct spectral structure at 1.9-2.2 ppm(parts per million) was observed, e.g., glutamate C3 showed a doublet pattern in both simulated (1)H spectrum and in vivo (13)C-edited (1)H NMR spectra. Besides (13)C time courses of glutamate C4 and glutamine C4, the time courses of glutamate C3 and glutamine C3 obtained by (1)H-[(13)C] NMR spectroscopy were reported for the first time. Such capability should greatly improve the ability to study neuron-glial metabolism using (1)H-observed (13)C-edited NMR spectroscopy.

Selective resonance suppression 1H-[13C] NMR spectroscopy with asymmetric adiabatic RF pulses.

Despite obvious improvements in spectral resolution at high magnetic field, the detection of 13C labeling by 1H-[13C] NMR spectroscopy remains hampered by spectral overlap, such as in the spectral region of 1H resonances bound to C3 of glutamate (Glu) and glutamine (Gln), and C6 of N-acetylaspartate (NAA). The aim of this study was to develop, implement, and apply a novel 1H-[13C] NMR spectroscopic editing scheme, dubbed "selective Resonance suppression by Adiabatic Carbon Editing and Decoupling single-voxel STimulated Echo Acquisition Mode" (RACED-STEAM). The sequence is based on the application of two asymmetric narrow-transition-band adiabatic RF inversion pulses at the resonance frequency of the 13C coupled to the protons that need to be suppressed during the mixing time (TM) period, alternating the inversion band downfield and upfield from the 13C resonance on odd and even scans, respectively, thus suppressing the detection of 1H resonances bound to 13C within the transition band of the inversion pulse. The results demonstrate the efficient suppression of 1H resonances bound to C3 of Glu and Gln, and C4 of Glu, which allows the 1H resonances bound to C6 of NAA and C4 of Gln to be revealed. The measured time course of the resolved labeling into NAA C6 with the new scheme was consistent with the slow turnover of NAA.

Assessment of metabolic fluxes in the mouse brain in vivo using 1H-[13C] NMR spectroscopy at 14.1 Tesla.

(13)C magnetic resonance spectroscopy (MRS) combined with the administration of (13)C labeled substrates uniquely allows to measure metabolic fluxes in vivo in the brain of humans and rats. The extension to mouse models may provide exclusive prospect for the investigation of models of human diseases. In the present study, the short-echo-time (TE) full-sensitivity (1)H-[(13)C] MRS sequence combined with high magnetic field (14.1 T) and infusion of [U-(13)C6] glucose was used to enhance the experimental sensitivity in vivo in the mouse brain and the (13)C turnover curves of glutamate C4, glutamine C4, glutamate+glutamine C3, aspartate C2, lactate C3, alanine C3, γ-aminobutyric acid C2, C3 and C4 were obtained. A one-compartment model was used to fit (13)C turnover curves and resulted in values of metabolic fluxes including the tricarboxylic acid (TCA) cycle flux VTCA (1.05 ± 0.04 μmol/g per minute), the exchange flux between 2-oxoglutarate and glutamate Vx (0.48 ± 0.02 μmol/g per minute), the glutamate-glutamine exchange rate V(gln) (0.20 ± 0.02 μmol/g per minute), the pyruvate dilution factor K(dil) (0.82 ± 0.01), and the ratio for the lactate conversion rate and the alanine conversion rate V(Lac)/V(Ala) (10 ± 2). This study opens the prospect of studying transgenic mouse models of brain pathologies.