Vibrações em sistemas bidimensionais

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Potenciais reativos e simulação de sistemas nanoscópicos

Pós-graduação em Física - IGCE

Identification of the cellular and molecular mechanism by which CD2AP, a regulator of neuronal intracellular transport contributes to the development of Alzheimer’s disease

Tese de mestrado. Biologia (Biologia Molecular e Genética). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências,2014

Dinâmica molecular investigada com pulsos de femto-segundos

Técnicas experimentais de óptica não-linear resolvidas no tempo são capazes, em diversas situações, de fornecer mais informações sobre a dinâmica e estrutura molecular do que técnicas sem nenhuma resolução temporal. Nesta tese investigou-se três sistemas com técnicas espectroscópicas resolvidas no tempo, utilizando pulsos ultra-curtos de um sistema LASER amplificado, baseado em cristal de Ti:Safira, e de amplificadores ópticos paramétricos. Para este estudo foram implementadas e analisadas quatro diferentes técnicas espectroscópicas resolvidas no tempo: Espalhamento Raman anti-Stokes Coerente (CARS), Espalhamento hiper-Rayleigh Resolvido no Tempo (TRHRS), Bombeio-Prova e Bombeio- Depleção-Prova. O três sistemas investigados apresentam um grau crescente de complexidade nas suas dinâmicas e interações com o meio. O primeiro dos sistemas estudados foi a dinâmica da molécula de H2 no regime de impacto, na presença de moléculas e átomos perturbadores (N2 e He). Foi possível determinar, pela primeira vez, coeficientes de alargamento para o ramo Q devido à colisões entre H2+H2 utilizando a técnica de CARS resolvido temporalmente, bem como novos coeficientes para o deslocamento das linhas. O emprego da mesma técnica em sistemas binários lançou mais luz sobre a possibilidade de existir alguma não-homogeneidade em tais tipos de colisões. O segundo experimento investigou a dinâmica de relaxação orientacional da acetonitrila em solução utilizando a nova técnica de TRHRS; esta foi desenvolvida e testada com sucesso pela primeira vez neste trabalho. Um modelamento teórico mostra que dentro do modelo de Debye para a difusão rotacional, tempos associados ao terceiro momento do tempo de difusão (τ3) e ao primeiro momento (τ1) devem ser observados. Os resultados experimentais para a acetonitrila apresentam um decaimento consistente com este modelo (τ3~850 fs), concordando também com valores derivados de resultados experimentais e teóricos obtidos por outros métodos. Além disso, também foi observado experimentalmente uma segunda componente mais rápida (~50 fs), que não pôde ser explicada dentro do modelo de difusão rotacional livre. Esta componente foi atribuída a efeitos reorientacionais coletivos em conjunto com efeitos de superposição temporal de pulsos. A interpretação do sinal desta nova técnica foi testada com sucesso realizando o experimento em tetracloreto de carbono.O terceiro sistema investigado foi a dinâmica de relaxação de energia intramolecular de carotenóides. A principal questão, da vii existência ou não de estados eletrônicos adicionais, foi abordada utilizando uma modificação da técnica de Bombeio e Prova, denominada de Bombeio-Depleção-Prova. A técnica de Bombeio-Depleção-Prova foi pela primeira vez utilizada em carotenóides, possibilitando observar dinâmicas nunca vistas por qualquer outra técnica experimental. Dentro da resolução temporal dos experimentos realizados, a presença de novos estados eletrônicos em carotenóides livres em solução é descartada. Além disso, uma nova ferramenta de análise de dados foi desenvolvida. A análise de alvos espectrais baseada em um algoritmo evolutivo trouxe mais argumentos para o modelo clássico de três níveis. A dinâmica de carotenóides livres em solução foi comparada com sua dinâmica quando inseridos no complexo fotossintético de coleta de luz (LH2) da bactéria púrpura, utilizando para isso a técnica de Bombeio e Prova. Os resultados obtidos mostram um sistema de níveis de energia mais complexo do que quando o carotenóide está livre em solução. Esta modificação devido ao ambiente é possivelmente gerada pela quebra de simetria do carotenóide quando inserido no complexo LH2, possibilitando o cruzamento entre sistemas (singlete-triplete).

Pressure Swing Adsorption on Carbon Molecular Sieves for Nitrogen Production: Modelling and Simulation with Aspen Adsorption

L’azoto è uno dei prodotti principali dell’industria chimica, utilizzato principalmente per assicurare un sicuro stoccaggio di composti infiammabili. Generatori con sistemi PSA sono spesso più economici della tradizionale distillazione criogenica. I processi PSA utilizzano una colonna a letto fisso, riempita con materiale adsorbente, che adsorbe selettivamente un componente da una miscela gassosa. L’ossigeno diffonde molto più velocemente dell'azoto nei pori di setacci molecolari carboniosi. Oltre ad un ottimo materiale adsorbente, anche il design è fondamentale per la performance di un processo PSA. La fase di adsorbimento è seguita da una fase di desorbimento. Il materiale adsorbente può essere quindi riutilizzato nel ciclo seguente. L’assenza di un simulatore di processo ha reso necessario l’uso di dati sperimentali per sviluppare nuovi processi. Un tale approccio è molto costoso e lungo. Una modellazione e simulazione matematica, che consideri tutti i fenomeni di trasporto, è richiesta per una migliore comprensione dell'adsorbente sia per l'ottimizzazione del processo. La dinamica della colonna richiede la soluzione di insiemi di PDE distribuite nel tempo e nello spazio. Questo lavoro è stato svolto presso l'Università di Scienze Applicate - Münster, Germania. Argomento di questa tesi è la modellazione e simulazione di un impianto PSA per la produzione di azoto con il simulatore di processo Aspen Adsorption con l’obiettivo di permettere in futuro ottimizzazioni di processo affidabili, attendibili ed economiche basate su computazioni numeriche. E' discussa l’ottimizzazione di parametri, dati cinetici, termodinamici e di equilibrio. Il modello è affidabile, rigoroso e risponde adeguatamente a diverse condizioni al contorno. Tuttavia non è ancora pienamente soddisfacente poiché manca una rappresentazione adeguata della cinetica ovvero dei fenomeni di trasporto di materia. La messa a punto del software permetterà in futuro di indagare velocemente nuove possibilità di operazione.

Modified PNA design and synthesis: a novel approach using Molecular Dynamics and Metadynamics

Gli acidi peptido nucleici sono potenti strumenti utilizzati in ambito biotecnologico per colpire DNA o RNA. PNA contenenti basi o backbone modificati sono attualmente studiati per migliorarne le proprietà in ambito biologico. Bersagliare i micro RNA (anti-miR) è particolarmente interessante nell’ottica di future applicazioni terapeutiche, ma strumenti computazionali che aiutino nel design di nuovi PNA anti-miR non sono stati ancora completamente sviluppati. Le proprietà conformazionali del singolo filamento di PNA (non modificato o recante modificazioni in γ) e dei duplex PNA:RNA e i processi di re-annealing e melting sono stati studiati tramite Dinamica Molecolare e Metadinamica. L’approccio computazionale consolidato, assieme a un programma modificato per la generazione delle strutture dei duplex contenenti PNA, è stato utilizzato per il virtual screening di PNA contenenti basi modificate. Sono state inoltre sintetizzate le unità per l’ottenimento del composto più promettente e una funzione idrolitica da legare al monomero finale.

Vibrational spectroscopy of phthalocyanine and naphthalocyanine in sandwich-type (na)phthalocyaninato and porphyrinato rare earth complexes : (Part 10) The infrared and Raman characteristics of phthalocyanine in heteroleptic bis(phthalocyaninato) rare earth complexes with decreased molecular symmetry

The infrared (IR) spectroscopic data for a series of eleven heteroleptic bis(phthalocyaninato) rare earth complexes MIII(Pc)[Pc(α-OC5H11)4] (M = Sm–Lu, Y) [H2Pc = unsubstituted phthalocyanine, H2Pc(α-OC5H11)4 = 1,8,15,22-tetrakis(3-pentyloxy)phthalocyanine] have been collected with 2 cm−1 resolution. Raman spectroscopic properties in the range of 500–1800 cm−1 for these double-decker molecules have also been comparatively studied using laser excitation sources emitting at 632.8 and 785 nm. Both the IR and Raman spectra for M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4] are more complicated than those of homoleptic bis(phthalocyaninato) rare earth analogues due to the decreased molecular symmetry of these double-decker compounds, namely C4. For this series, the IR Pc√− marker band appears as an intense absorption at 1309–1317 cm−1, attributed to the pyrrole stretching. With laser excitation at 632.8 nm, Raman vibrations derived from isoindole ring and aza stretchings in the range of 1300–1600 cm−1 are selectively intensified. In contrast, when excited with laser radiation of 785 nm, the ring radial vibrations of isoindole moieties and dihedral plane deformations between 500 and 1000 cm−1 for M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4] intensify to become the strongest scatterings. Both techniques reveal that the frequencies of pyrrole stretching, isoindole breathing, isoindole stretchings, aza stretchings and coupling of pyrrole and aza stretchings depend on the rare earth ionic size, shifting to higher energy along with the lanthanide contraction due to the increased ring-ring interaction across the series. The assignments of the vibrational bands for these compounds have been made and discussed in relation to other unsubstituted and substituted bis(phthalocyaninato) rare earth analogues, such as M(Pc)2 and M(OOPc)2 [H2OOPc = 2,3,9,10,16,17,23,24-octakis(octyloxy)phthalocyanine].

Time-Dependent Density Functional Molecular Orbital and Excited State Calculations on Bis(porphyrinyl)butadiynes in the Monocationic, Neutral, Monoanionic, and Dianionic Oxidation States

We report a theoretical study of the multiple oxidation states (1+, 0, 1−, and 2−) of a meso,meso-linked diporphyrin, namely bis[10,15,20-triphenylporphyrinatozinc(II)-5-yl]butadiyne (4), using Time-Dependent Density Functional Theory (TDDFT). The origin of electronic transitions of singlet excited states is discussed in comparison to experimental spectra for the corresponding oxidation states of the close analogue bis{10,15,20-tris[3‘,5‘-di-tert-butylphenyl]porphyrinatozinc(II)-5-yl}butadiyne (3). The latter were measured in previous work under in situ spectroelectrochemical conditions. Excitation energies and orbital compositions of the excited states were obtained for these large delocalized aromatic radicals, which are unique examples of organic mixed-valence systems. The radical cations and anions of butadiyne-bridged diporphyrins such as 3 display characteristic electronic absorption bands in the near-IR region, which have been successfully predicted with use of these computational methods. The radicals are clearly of the “fully delocalized” or Class III type. The key spectral features of the neutral and dianionic states were also reproduced, although due to the large size of these molecules, quantitative agreement of energies with observations is not as good in the blue end of the visible region. The TDDFT calculations are largely in accord with a previous empirical model for the spectra, which was based simplistically on one-electron transitions among the eight key frontier orbitals of the C4 (1,4-butadiyne) linked diporphyrins.

Enhanced human bone marrow stromal cell affinity for modified poly(L-lactide) surfaces by the upregulation of adhesion molecular genes

To enhance and regulate cell affinity for poly (l-lactic acid) (PLLA) based materials, two hydrophilic ligands, poly (ethylene glycol) (PEG) and poly (l-lysine) (PLL), were used to develop triblock copolymers: methoxy-terminated poly (ethylene glycol)-block-poly (l-lactide)-block-poly (l-lysine) (MPEG-b-PLLA-b-PLL) in order to regulate protein absorption and cell adhesion. Bone marrow stromal cells (BMSCs) were cultured on different composition of MPEG-b-PLLA-b-PLL copolymer films to determine the effect of modified polymer surfaces on BMSC attachment. To understand the molecular mechanism governing the initial cell adhesion on difference polymer surfaces, the mRNA expression of 84 human extracellular matrix (ECM) and adhesion molecules was analysed using quantitative reverse transcriptase polymerase chain reaction (qRT-PCR). It was found that down regulation of adhesion molecules was responsible for the impaired BMSC attachment on PLLA surface. MPEG-b-PLLA-b-PLL copolymer films improved significantly the cell adhesion and cytoskeleton expression by upregulation of relevant molecule genes significantly. Six adhesion genes (CDH1, ITGL, NCAM1, SGCE, COL16A1, and LAMA3) were most significantly influenced by the modified PLLA surfaces. In summary, polymer surfaces altered adhesion molecule gene expression of BMSCs, which consequently regulated cell initial attachment on modified PLLA surfaces.

Comparison of molecular markers to detect fresh sewage in environmental waters

Human-specific Bacteroides HF183 (HS-HF183), human-specific Enterococci faecium esp (HS-esp), human-specific adenoviruses (HS-AVs) and human-specific polyomaviruses (HS-PVs) assays were evaluated in freshwater, seawater and distilled water to detect fresh sewage. The sewage spiked water samples were also tested for the concentrations of traditional fecal indicators (i.e., Escherichia coli, enterococci and Clostridium perfringens) and enteric viruses such as enteroviruses (EVs), sapoviruses (SVs), and torquetenoviruses (TVs). The overall host-specificity of the HS-HF183 marker to differentiate between humans and other animals was 98%. However, the HS-esp, HS-AVs and HS-PVs showed 100% hostspecificity. All the human-specific markers showed >97% sensitivity to detect human fecal pollution. E. coli, enterococci and, C. perfringens were detected up to dilutions of sewage 10_5, 10_4 and 10_3 respectively.HS-esp, HS-AVs, HS-PVs, SVs and TVs were detected up to dilution of sewage 10_4 whilst EVs were detected up to dilution 10_5. The ability of the HS-HF183 marker to detect freshsewagewas3–4 orders ofmagnitude higher than that of the HS-esp and viral markers. The ability to detect fresh sewage in freshwater, seawater and distilled water matrices was similar for human-specific bacterial and viral marker. Based on our data, it appears that human-specific molecular markers are sensitive measures of fresh sewage pollution, and the HS-HF183 marker appears to be the most sensitive among these markers in terms of detecting fresh sewage. However, the presence of the HS-HF183 marker in environmental waters may not necessarily indicate the presence of enteric viruses due to their high abundance in sewage compared to enteric viruses. More research is required on the persistency of these markers in environmental water samples in relation to traditional fecal indicators and enteric pathogens.

Molecular architecture of the human sinus node: insights into the function of the cardiac pacemaker.

BACKGROUND: Although we know much about the molecular makeup of the sinus node (SN) in small mammals, little is known about it in humans. The aims of the present study were to investigate the expression of ion channels in the human SN and to use the data to predict electrical activity. METHODS AND RESULTS: Quantitative polymerase chain reaction, in situ hybridization, and immunofluorescence were used to analyze 6 human tissue samples. Messenger RNA (mRNA) for 120 ion channels (and some related proteins) was measured in the SN, a novel paranodal area, and the right atrium (RA). The results showed, for example, that in the SN compared with the RA, there was a lower expression of Na(v)1.5, K(v)4.3, K(v)1.5, ERG, K(ir)2.1, K(ir)6.2, RyR2, SERCA2a, Cx40, and Cx43 mRNAs but a higher expression of Ca(v)1.3, Ca(v)3.1, HCN1, and HCN4 mRNAs. The expression pattern of many ion channels in the paranodal area was intermediate between that of the SN and RA; however, compared with the SN and RA, the paranodal area showed greater expression of K(v)4.2, K(ir)6.1, TASK1, SK2, and MiRP2. Expression of ion channel proteins was in agreement with expression of the corresponding mRNAs. The levels of mRNA in the SN, as a percentage of those in the RA, were used to estimate conductances of key ionic currents as a percentage of those in a mathematical model of human atrial action potential. The resulting SN model successfully produced pacemaking. CONCLUSIONS: Ion channels show a complex and heterogeneous pattern of expression in the SN, paranodal area, and RA in humans, and the expression pattern is appropriate to explain pacemaking.

Interactions of phenyldithioesters with gold nanoparticles (AuNPs): Implications for AuNP functionalization and molecular barcoding of AuNP assemblies

The interactions of phenyldithioesters with gold nanoparticles (AuNPs) have been studied by monitoring changes in the surface plasmon resonance (SPR), depolarised light scattering, and surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). Changes in the SPR indicated that an AuNP-phenyldithioester charge transfer complex forms in equilibrium with free AuNPs and phenyldithioester. Analysis of the Langmuir binding isotherms indicated that the equilibrium adsorption constant, Kads, was 2.3 ± 0.1 × 106 M−1, which corresponded to a free energy of adsorption of 36 ± 1 kJ mol−1. These values are comparable to those reported for interactions of aryl thiols with gold and are of a similar order of magnitude to moderate hydrogen bonding interactions. This has significant implications in the application of phenyldithioesters for the functionalization of AuNPs. The SERS results indicated that the phenyldithioesters interact with AuNPs through the C═S bond, and the molecules do not disassociate upon adsorption to the AuNPs. The SERS spectra are dominated by the portions of the molecule that dominate the charge transfer complex with the AuNPs. The significance of this in relation to the use of phenyldithioesters for molecular barcoding of nanoparticle assemblies is discussed.