The Chemically Inducible Plant Cytochrome P450 CYP76B1 Actively Metabolizes Phenylureas and Other Xenobiotics1

Cytochrome P450s (P450s) constitute one of the major classes of enzymes that are responsible for detoxification of exogenous molecules both in animals and plants. On the basis of its inducibility by exogenous chemicals, we recently isolated a new plant P450, CYP76B1, from Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus) and showed that it was capable of dealkylating a model xenobiotic compound, 7-ethoxycoumarin. In the present paper we show that CYP76B1 is more strongly induced by foreign compounds than other P450s isolated from the same plant, and metabolizes with high efficiency a wide range of xenobiotics, including alkoxycoumarins, alkoxyresorufins, and several herbicides of the class of phenylureas. CYP76B1 catalyzes the double N-dealkylation of phenylureas with turnover rates comparable to those reported for physiological substrates and produces nonphytotoxic compounds. Potential uses for CYP76B1 thus include control of herbicide tolerance and selectivity, as well as soil and groundwater bioremediation.

Cell-surface receptors for retroviruses and implications for gene transfer.

Retroviruses can utilize a variety of cell-surface proteins for binding and entry into cells, and the cloning of several of these viral receptors has allowed refinement of models to explain retrovirus tropism. A single receptor appears to be necessary and sufficient for entry of many retroviruses, but exceptions to this simple model are accumulating. For example, HIV requires two proteins for cell entry, neither of which alone is sufficient; 10A1 murine leukemia virus can enter cells by using either of two distinct receptors; two retroviruses can use different receptors in some cells but use the same receptor for entry into other cells; and posttranslational protein modifications and secreted factors can dramatically influence virus entry. These findings greatly complicate the rules governing retrovirus tropism. The mechanism underlying retrovirus evolution to use many receptors for cell entry is not clear, although some evidence supports a mutational model for the evolution of new receptor specificities. Further study of factors that govern retrovirus entry into cells are important for achieving high-efficiency gene transduction to specific cells and for the design of retroviral vectors to target additional receptors for cell entry.

Efficient infection of a human T-cell line and of human primary peripheral blood leukocytes with a pseudotyped retrovirus vector.

Peripheral blood lymphocytes (PBLs) are an important target for gene transfer studies aimed at human gene therapy. However, no reproducibly efficient methods are currently available to transfer foreign, potentially therapeutic genes into these cells. While vectors derived from murine retroviruses have been the most widely used system, their low infection efficiency in lymphocytes has required prolonged in vitro culturing and selection after infection to obtain useful numbers of genetically modified cells. We previously reported that retroviral vectors pseudotyped with vesicular stomatitis G glycoprotein (VSV-G) envelope can infect a wide variety of cell types and can be concentrated to titers of greater than 10(9) infectious units/ml. In this present study, we examined the ability of amphotropic and pseudotyped vectors expressing a murine cell surface protein, B7-1, to infect the human T-cell line Jurkat or human blood lymphocytes. Limiting dilution analysis of transduced Jurkat cells demonstrated that the pseudotyped vector is significantly more efficient in infecting T cells than an amphotropic vector used at the same multiplicity of infection (moi). To identify the transduction efficiency on PBLs, we examined the levels of cell surface expression of the B7-1 surface marker 48 to 72 hr after infection. The transduction efficiency of PBLs with the pseudotyped vector increased linearly with increasing moi to a maximum of approximately 16-32% at an moi of 40. This relatively high efficiency of infection of a T-cell line and of blood lymphocytes with VSV-G pseudotyped virus demonstrates that such modified pseudotyped retrovirus vectors may be useful reagents for studies of gene therapy for a variety of genetic or neoplastic disorders.

Base excision of oxidative purine and pyrimidine DNA damage in Saccharomyces cerevisiae by a DNA glycosylase with sequence similarity to endonuclease III from Escherichia coli.

One gene locus on chromosome I in Saccharomyces cerevisiae encodes a protein (YAB5_YEAST; accession no. P31378) with local sequence similarity to the DNA repair glycosylase endonuclease III from Escherichia coli. We have analyzed the function of this gene, now assigned NTG1 (endonuclease three-like glycosylase 1), by cloning, mutant analysis, and gene expression in E. coli. Targeted gene disruption of NTG1 produces a mutant that is sensitive to H2O2 and menadione, indicating that NTG1 is required for repair of oxidative DNA damage in vivo. Northern blot analysis and expression studies of a NTG1-lacZ gene fusion showed that NTG1 is induced by cell exposure to different DNA damaging agents, particularly menadione, and hence belongs to the DNA damage-inducible regulon in S. cerevisiae. When expressed in E. coli, the NTG1 gene product cleaves plasmid DNA damaged by osmium tetroxide, thus, indicating specificity for thymine glycols in DNA similarly as is the case for EndoIII. However, NTG1 also releases formamidopyrimidines from DNA with high efficiency and, hence, represents a glycosylase with a novel range of substrate recognition. Sequences similar to NTG1 from other eukaryotes, including Caenorhabditis elegans, Schizosaccharomyces pombe, and mammals, have recently been entered in the GenBank suggesting the universal presence of NTG1-like genes in higher organisms. S. cerevisiae NTG1 does not have the [4Fe-4S] cluster DNA binding domain characteristic of the other members of this family.

CAX1, an H+/Ca2+ antiporter from Arabidopsis.

Reestablishment of the resting state after stimulus-coupled elevations of cytosolic-free Ca2+ requires the rapid removal of Ca2+ from the cytosol of plant cells. Here we describe the isolation of two genes, CAX1 and CAX2, from Arabidopsis thaliana that suppress a mutant of Saccharomyces cerevisiae that has a defect in vacuolar Ca2+ accumulation. Both genes encode polypeptides showing sequence similarities to microbial H+/Ca2+ antiporters. Experiments on vacuolar membrane-enriched vesicles isolated from yeast expressing CAX1 or CAX2 demonstrate that these genes encode high efficiency and low efficiency H+/Ca2+ exchangers, respectively. The properties of the CAX1 gene product indicate that it is the high capacity transporter responsible for maintaining low cytosolic-free Ca2+ concentrations in plant cells by catalyzing pH gradient-energized vacuolar Ca2+ accumulation.

Resolution of Holliday junctions by eukaryotic DNA topoisomerase I.

The Holliday junction, a key intermediate in both homologous and site-specific recombination, is generated by the reciprocal exchange of single strands between two DNA duplexes. Resolution of the junctions can occur in two directions with respect to flanking markers, either restoring the parental DNA configuration or generating a genetic crossover. Recombination can be regulated, in principle, by factors that influence the directionality of the resolution step. We demonstrate that the vaccinia virus DNA topoisomerase, a eukaryotic type I enzyme, catalyzes resolution of synthetic Holliday junctions in vitro. The mechanism entails concerted transesterifications at two recognition sites, 5'-CCCTT decreases, that are opposed within a partially mobile four-way junction. Cruciforms are resolved unidirectionally and with high efficiency into two linear duplexes. These findings suggest a model whereby type I topoisomerases may either promote or suppress genetic recombination in vivo.

The peptide binding site of the substance P (NK-1) receptor localized by a photoreactive analogue of substance P: presence of a disulfide bond.

Substance P (SP) is a neuropeptide that mediates multiple physiological responses including transmission of painful stimuli and inflammation via an interaction with a receptor of known primary sequence. To identify the regions of the SP receptor, also termed the NK-1 receptor, involved in peptide recognition, we are using analogues of SP containing the photoreactive amino acid p-benzoyl-L-phenylalanine (Bpa). In the present study, we used radioiodinated Bpa8-SP to covalently label with high efficiency the rat SP receptor expressed in a transfected mammalian cell line. To identify the amino acid residue that serves as the site of covalent attachment, a membrane preparation of labeled receptor was subjected to partial enzymatic cleavage by trypsin. A major digestion product of 22 kDa was identified. Upon reduction with 2-mercaptoethanol the mass of this product decreased to 14 kDa. The 22-kDa tryptic fragment was purified in excellent yield by preparative SDS/PAGE under nonreducing conditions. Subcleavage with Staphylococcus aureus V8 protease and endoproteinase ArgC yielded fragments of 8.2 and 9.0 kDa, respectively. Upon reductive cleavage, the V8 protease fragment decreased to 3.0 kDa while the endoproteinase ArgC fragment decreased to 3.2 kDa. Taking into consideration enzyme specificity, molecular size, determination of the presence or absence of N-glycosylation sites, and recognition by antibodies to specific sequences of the SP receptor, the V8 protease fragment is Thr-173 to Glu-183, while the endoproteinase ArgC fragment is Val-178 to Arg-190. These two fragments share the common sequence Val-Val-Cys-Met-Ile-Glu (residues 178-183). The site of covalent attachment of radioiodinated Bpa8-SP is thus restricted to a residue within this overlap sequence. The data presented here also establish that the cysteine residue in this sequence Cys-180, which is positioned in the middle of the second extracellular loop, participates in a disulfide bond that links the first and second extracellular loops of the receptor.

Peptide synthesis using unprotected peptides through orthogonal coupling methods.

We describe an approach to the synthesis of peptides from segments bearing no protecting groups through an orthogonal coupling method to capture the acyl segment as a thioester that then undergoes an intramolecular acyl transfer to the amine component with formation of a peptide bond. Two orthogonal coupling methods to give the covalent ester intermediate were achieved by either a thiol-thioester exchange mediated by a trialkylphosphine and an alkylthiol or a thioesterification by C alpha-thiocarboxylic acid reacting with a beta-bromo amino acid. With this approach, unprotected segments ranging from 4 to 37 residues were coupled to aqueous solution to give free peptides up to 54 residues long with high efficiency.

Benzoic acid 2-hydroxylase, a soluble oxygenase from tobacco, catalyzes salicylic acid biosynthesis.

Benzoic acid 2-hydroxylase (BA2H) catalyzes the biosynthesis of salicylic acid from benzoic acid. The enzyme has been partially purified and characterized as a soluble protein of 160 kDa. High-efficiency in vivo labeling of salicylic acid with 18O2 suggested that BA2H is an oxygenase that specifically hydroxylates the ortho position of benzoic acid. The enzyme was strongly induced by either tobacco mosaic virus inoculation or benzoic acid infiltration of tobacco leaves and it was inhibited by CO and other inhibitors of cytochrome P450 hydroxylases. The BA2H activity was immunodepleted by antibodies raised against SU2, a soluble cytochrome P450 from Streptomyces griseolus. The anti-SU2 antibodies immunoprecipitated a radiolabeled polypeptide of around 160 kDa from the soluble protein extracts of L-[35S]-methionine-fed tobacco leaves. Purified BA2H showed CO-difference spectra with a maximum at 457 nm. These data suggest that BA2H belongs to a novel class of soluble, high molecular weight cytochrome P450 enzymes.

Upregulation of class I major histocompatibility complex antigens by interferon gamma is necessary for T-cell-mediated elimination of recombinant adenovirus-infected hepatocytes in vivo.

Recombinant adenoviruses are attractive vehicles for liver-directed gene therapy because of the high efficiency with which they transfer genes to hepatocytes in vivo. First generation recombinant adenoviruses deleted of E1 sequences also express recombinant and early and late viral genes, which lead to development of destructive cellular immune responses. Previous studies indicated that class I major histocompatibility complex (MHC)-restricted cytotoxic T lymphocytes (CTLs) play a major role in eliminating virus-infected cells. The present studies utilize mouse models to evaluate the role of T-helper cells in the primary response to adenovirus-mediated gene transfer to the liver. In vivo ablation of CD4+ cells or interferon gamma (IFN-gamma) was sufficient to prevent the elimination of adenovirus-transduced hepatocytes, despite the induction of a measurable CTL response. Mobilization of an effective TH1 response as measured by in vitro proliferation assays was associated with substantial upregulation of MHC class I expression, an effect that was prevented in IFN-gamma-deficient animals. These results suggest that elimination of virus-infected hepatocytes in a primary exposure to recombinant adenovirus requires both induction of antigen-specific CTLs as well as sensitization of the target cell by TH1-mediated activation of MHC class I expression.

Generation of targeted retroviral vectors by using single-chain variable fragment: an approach to in vivo gene delivery.

We report the generation of a retroviral vector that infects human cells specifically through recognition of the low density lipoprotein receptor. The rationale for this targeted infection is to add onto the ecotropic envelope protein of Moloney murine leukemia virus, normally trophic for murine cells, a single-chain variable fragment derived from a monoclonal antibody recognizing the human low density lipoprotein receptor. This chimeric envelope protein was used to construct a packaging cell line producing a retroviral vector capable of high-efficiency transfer of the Escherichia coli beta-galactosidase gene to human cells expressing low density lipoprotein receptor. This approach offers a generalized plan to generate cell and tissue-specific retroviral vectors, an essential step toward in vivo gene therapy strategies.

New multivalent calixarene-based ligands for protein recognition and inhibition

One of the challenges that concerns chemistry is the design of molecules able to modulate protein-protein and protein-ligand interactions, since these are involved in many physiological and pathological processes. The interactions occurring between proteins and their natural counterparts can take place through reciprocal recognition of rather large surface areas, through recognition of single contact points and single residues, through inclusion of the substrates in specific, more or less deep binding sites. In many cases, the design of synthetic molecules able to interfere with the processes involving proteins can benefit from the possibility of exploiting the multivalent effect. Multivalency, widely spread in Nature, consists in the simultaneous formation between two entities (cell-cell, cell-protein, protein-protein) of multiple equivalent ligand-recognition site complexes. In this way the whole interaction results particularly strong and specific. Calixarenes furnish a very interesting scaffold for the preparation of multivalent ligands and in the last years calixarene-based ligands demonstrated their remarkable capability to recognize and inhibit or restore the activity of different proteins, with a high efficiency and selectivity in several recognition phenomena. The relevance and versatility of these ligands is due to the different exposition geometries of the binding units that can be explored exploiting the conformational properties of these macrocycles, the wide variety of functionalities that can be linked to their structure at different distances from the aromatic units and to their intrinsic multivalent nature. With the aim of creating new multivalent systems for protein targeting, the work reported in this thesis regards the synthesis and properties of glycocalix[n]arenes and guanidino calix[4]arenes for different purposes. Firstly, a new bolaamphiphile glycocalix[4]arene in 1,3-alternate geometry, bearing cellobiose, was synthesized for the preparation of targeted drug delivery systems based on liposomes. The formed stable mixed liposomes obtained by mixing the macrocycle with DOPC were shown to be able of exploiting the sugar units emerging from the lipid bilayer to agglutinate Concanavalin A, a lectin specific for glucose. Moreover, always thanks to the presence of the glycocalixarene in the layer, the same liposomes demonstrated through preliminary experiments to be uptaken by cancer cells overexpressing glucose receptors on their exterior surface more efficiently respect to simple DOPC liposomes lacking glucose units in their structure. Then a small library of glycocalix[n]arenes having different valency and geometry was prepared, for the creation of potentially active immunostimulants against Streptococcus pneumoniae, particularly the 19F serotype, one of the most virulent. These synthesized glycocalixarenes bearing β-N-acetylmannosamine as antigenic unit were compared with the natural polysaccharide on the binding to the specific anti-19F human polyclonal antibody, to verify their inhibition potency. Among all, the glycocalixarene based on the conformationally mobile calix[4]arene resulted the more efficient ligand, probably due its major possibility to explore the antibody surface and dispose the antigenic units in a proper arrangement for the interaction process. These results pointed out the importance of how the different multivalent presentation in space of the glycosyl units can influence the recognition phenomena. At last, NMR studies, using particularly 1H-15N HSQC experiments, were performed on selected glycocalix[6]arenes and guanidino calix[4]arenes blocked in the cone geometry, in order to better understand protein-ligand interactions. The glycosylated compounds were studied with Ralstonia solanacearum lectin, in order to better understand the nature of the carbohydrate‐lectin interactions in solution. The series of cationic calixarene was employed with three different acidic proteins: GB1, Fld and alpha synuclein. Particularly GB1 and Fld were observed to interact with all five cationic calix[4]arenes but showing different behaviours and affinities.

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.

Oxide Semiconductors For Organic Opto-electronic Devices

Development of transparent oxide semiconductors (TOS) from Earth-abundant materials is of great interest for cost-effective thin film device applications, such as solar cells, light emitting diodes (LEDs), touch-sensitive displays, electronic paper, and transparent thin film transistors. The need of inexpensive or high performance electrode might be even greater for organic photovoltaic (OPV), with the goal to harvest renewable energy with inexpensive, lightweight, and cost competitive materials. The natural abundance of zinc and the wide bandgap ($sim$3.3 eV) of its oxide make it an ideal candidate. In this dissertation, I have introduced various concepts on the modulations of various surface, interface and bulk opto-electronic properties of ZnO based semiconductor for charge transport, charge selectivity and optimal device performance. I have categorized transparent semiconductors into two sub groups depending upon their role in a device. Electrodes, usually 200 to 500 nm thick, optimized for good transparency and transporting the charges to the external circuit. Here, the electrical conductivity in parallel direction to thin film, i.e bulk conductivity is important. And contacts, usually 5 to 50 nm thick, are optimized in case of solar cells for providing charge selectivity and asymmetry to manipulate the built in field inside the device for charge separation and collection. Whereas in Organic LEDs (OLEDs), contacts provide optimum energy level alignment at organic oxide interface for improved charge injections. For an optimal solar cell performance, transparent electrodes are designed with maximum transparency in the region of interest to maximize the light to pass through to the absorber layer for photo-generation, plus they are designed for minimum sheet resistance for efficient charge collection and transport. As such there is need for material with high conductivity and transparency. Doping ZnO with some common elements such as B, Al, Ga, In, Ge, Si, and F result in n-type doping with increase in carriers resulting in high conductivity electrode, with better or comparable opto-electronic properties compared to current industry-standard indium tin oxide (ITO). Furthermore, improvement in mobility due to improvement on crystallographic structure also provide alternative path for high conductivity ZnO TCOs. Implementing these two aspects, various studies were done on gallium doped zinc oxide (GZO) transparent electrode, a very promising indium free electrode. The dynamics of the superimposed RF and DC power sputtering was utilized to improve the microstructure during the thin films growth, resulting in GZO electrode with conductivity greater than 4000 S/cm and transparency greater than 90 %. Similarly, various studies on research and development of Indium Zinc Tin Oxide and Indium Zinc Oxide thin films which can be applied to flexible substrates for next generation solar cells application is presented. In these new TCO systems, understanding the role of crystallographic structure ranging from poly-crystalline to amorphous phase and the influence on the charge transport and optical transparency as well as important surface passivation and surface charge transport properties. Implementation of these electrode based on ZnO on opto-electronics devices such as OLED and OPV is complicated due to chemical interaction over time with the organic layer or with ambient. The problem of inefficient charge collection/injection due to poor understanding of interface and/or bulk property of oxide electrode exists at several oxide-organic interfaces. The surface conductivity, the work function, the formation of dipoles and the band-bending at the interfacial sites can positively or negatively impact the device performance. Detailed characterization of the surface composition both before and after various chemicals treatment of various oxide electrode can therefore provide insight into optimization of device performance. Some of the work related to controlling the interfacial chemistry associated with charge transport of transparent electrodes are discussed. Thus, the role of various pre-treatment on poly-crystalline GZO electrode and amorphous indium zinc oxide (IZO) electrode is compared and contrasted. From the study, we have found that removal of defects and self passivating defects caused by accumulation of hydroxides in the surface of both poly-crystalline GZO and amorphous IZO, are critical for improving the surface conductivity and charge transport. Further insight on how these insulating and self-passivating defects cause charge accumulation and recombination in an device is discussed. With recent rapid development of bulk-heterojunction organic photovoltaics active materials, devices employing ZnO and ZnO based electrode provide air stable and cost-competitive alternatives to traditional inorganic photovoltaics. The organic light emitting diodes (OLEDs) have already been commercialized, thus to follow in the footsteps of this technology, OPV devices need further improvement in power conversion efficiency and stable materials resulting in long device lifetimes. Use of low work function metals such as Ca/Al in standard geometry do provide good electrode for electron collection, but serious problems using low work-function metal electrodes originates from the formation of non-conductive metal oxide due to oxidation resulting in rapid device failure. Hence, using low work-function, air stable, conductive metal oxides such as ZnO as electrons collecting electrode and high work-function, air stable metals such as silver for harvesting holes, has been on the rise. Devices with degenerately doped ZnO functioning as transparent conductive electrode, or as charge selective layer in a polymer/fullerene based heterojunction, present useful device structures for investigating the functional mechanisms within OPV devices and a possible pathway towards improved air-stable high efficiency devices. Furthermore, analysis of the physical properties of the ZnO layers with varying thickness, crystallographic structure, surface chemistry and grain size deposited via various techniques such as atomic layer deposition, sputtering and solution-processed ZnO with their respective OPV device performance is discussed. We find similarity and differences in electrode property for good charge injection in OLEDs and good charge collection in OPV devices very insightful in understanding physics behind device failures and successes. In general, self-passivating surface of amorphous TCOs IZO, ZTO and IZTO forms insulating layer that hinders the charge collection. Similarly, we find modulation of the carrier concentration and the mobility in electron transport layer, namely zinc oxide thin films, very important for optimizing device performance.

Measurement of electrons from heavy-flavour hadron decays in p-Pb collisions at $\\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV using TPC and EMCal detectors with ALICE at LHC

Heavy-ion collisions are a powerful tool to study hot and dense QCD matter, the so-called Quark Gluon Plasma (QGP). Since heavy quarks (charm and beauty) are dominantly produced in the early stages of the collision, they experience the complete evolution of the system. Measurements of electrons from heavy-flavour hadron decay is one possible way to study the interaction of these particles with the QGP. With ALICE at LHC, electrons can be identified with high efficiency and purity. A strong suppression of heavy-flavour decay electrons has been observed at high $p_{m T}$ in Pb-Pb collisions at 2.76 TeV. Measurements in p-Pb collisions are crucial to understand cold nuclear matter effects on heavy-flavour production in heavy-ion collisions. The spectrum of electrons from the decays of hadrons containing charm and beauty was measured in p-Pb collisions at $\\sqrt = 5.02$ TeV. The heavy flavour decay electrons were measured by using the Time Projection Chamber (TPC) and the Electromagnetic Calorimeter (EMCal) detectors from ALICE in the transverse-momentum range $2 < p_ < 20$ GeV/c. The measurements were done in two different data set: minimum bias collisions and data using the EMCal trigger. The non-heavy flavour electron background was removed using an invariant mass method. The results are compatible with one ($R_ \\approx$ 1) and the cold nuclear matter effects in p-Pb collisions are small for the electrons from heavy-flavour hadron decays.