A Unitary Approach to Information and Estimation Theory in Digital Communication Systems

This thesis presents the outcomes of a Ph.D. course in telecommunications engineering. It is focused on the optimization of the physical layer of digital communication systems and it provides innovations for both multi- and single-carrier systems. For the former type we have first addressed the problem of the capacity in presence of several nuisances. Moreover, we have extended the concept of Single Frequency Network to the satellite scenario, and then we have introduced a novel concept in subcarrier data mapping, resulting in a very low PAPR of the OFDM signal. For single carrier systems we have proposed a method to optimize constellation design in presence of a strong distortion, such as the non linear distortion provided by satellites' on board high power amplifier, then we developed a method to calculate the bit/symbol error rate related to a given constellation, achieving an improved accuracy with respect to the traditional Union Bound with no additional complexity. Finally we have designed a low complexity SNR estimator, which saves one-half of multiplication with respect to the ML estimator, and it has similar estimation accuracy.

Catalytic liquid- and gas-phase oxidations for the synthesis of intermediates and specialty chemicals: some examples of industrial relevance

Nowadays, it is clear that the target of creating a sustainable future for the next generations requires to re-think the industrial application of chemistry. It is also evident that more sustainable chemical processes may be economically convenient, in comparison with the conventional ones, because fewer by-products means lower costs for raw materials, for separation and for disposal treatments; but also it implies an increase of productivity and, as a consequence, smaller reactors can be used. In addition, an indirect gain could derive from the better public image of the company, marketing sustainable products or processes. In this context, oxidation reactions play a major role, being the tool for the production of huge quantities of chemical intermediates and specialties. Potentially, the impact of these productions on the environment could have been much worse than it is, if a continuous efforts hadn’t been spent to improve the technologies employed. Substantial technological innovations have driven the development of new catalytic systems, the improvement of reactions and process technologies, contributing to move the chemical industry in the direction of a more sustainable and ecological approach. The roadmap for the application of these concepts includes new synthetic strategies, alternative reactants, catalysts heterogenisation and innovative reactor configurations and process design. Actually, in order to implement all these ideas into real projects, the development of more efficient reactions is one primary target. Yield, selectivity and space-time yield are the right metrics for evaluating the reaction efficiency. In the case of catalytic selective oxidation, the control of selectivity has always been the principal issue, because the formation of total oxidation products (carbon oxides) is thermodynamically more favoured than the formation of the desired, partially oxidized compound. As a matter of fact, only in few oxidation reactions a total, or close to total, conversion is achieved, and usually the selectivity is limited by the formation of by-products or co-products, that often implies unfavourable process economics; moreover, sometimes the cost of the oxidant further penalizes the process. During my PhD work, I have investigated four reactions that are emblematic of the new approaches used in the chemical industry. In the Part A of my thesis, a new process aimed at a more sustainable production of menadione (vitamin K3) is described. The “greener” approach includes the use of hydrogen peroxide in place of chromate (from a stoichiometric oxidation to a catalytic oxidation), also avoiding the production of dangerous waste. Moreover, I have studied the possibility of using an heterogeneous catalytic system, able to efficiently activate hydrogen peroxide. Indeed, the overall process would be carried out in two different steps: the first is the methylation of 1-naphthol with methanol to yield 2-methyl-1-naphthol, the second one is the oxidation of the latter compound to menadione. The catalyst for this latter step, the reaction object of my investigation, consists of Nb2O5-SiO2 prepared with the sol-gel technique. The catalytic tests were first carried out under conditions that simulate the in-situ generation of hydrogen peroxide, that means using a low concentration of the oxidant. Then, experiments were carried out using higher hydrogen peroxide concentration. The study of the reaction mechanism was fundamental to get indications about the best operative conditions, and improve the selectivity to menadione. In the Part B, I explored the direct oxidation of benzene to phenol with hydrogen peroxide. The industrial process for phenol is the oxidation of cumene with oxygen, that also co-produces acetone. This can be considered a case of how economics could drive the sustainability issue; in fact, the new process allowing to obtain directly phenol, besides avoiding the co-production of acetone (a burden for phenol, because the market requirements for the two products are quite different), might be economically convenient with respect to the conventional process, if a high selectivity to phenol were obtained. Titanium silicalite-1 (TS-1) is the catalyst chosen for this reaction. Comparing the reactivity results obtained with some TS-1 samples having different chemical-physical properties, and analyzing in detail the effect of the more important reaction parameters, we could formulate some hypothesis concerning the reaction network and mechanism. Part C of my thesis deals with the hydroxylation of phenol to hydroquinone and catechol. This reaction is already industrially applied but, for economical reason, an improvement of the selectivity to the para di-hydroxilated compound and a decrease of the selectivity to the ortho isomer would be desirable. Also in this case, the catalyst used was the TS-1. The aim of my research was to find out a method to control the selectivity ratio between the two isomers, and finally to make the industrial process more flexible, in order to adapt the process performance in function of fluctuations of the market requirements. The reaction was carried out in both a batch stirred reactor and in a re-circulating fixed-bed reactor. In the first system, the effect of various reaction parameters on catalytic behaviour was investigated: type of solvent or co-solvent, and particle size. With the second reactor type, I investigated the possibility to use a continuous system, and the catalyst shaped in extrudates (instead of powder), in order to avoid the catalyst filtration step. Finally, part D deals with the study of a new process for the valorisation of glycerol, by means of transformation into valuable chemicals. This molecule is nowadays produced in big amount, being a co-product in biodiesel synthesis; therefore, it is considered a raw material from renewable resources (a bio-platform molecule). Initially, we tested the oxidation of glycerol in the liquid-phase, with hydrogen peroxide and TS-1. However, results achieved were not satisfactory. Then we investigated the gas-phase transformation of glycerol into acrylic acid, with the intermediate formation of acrolein; the latter can be obtained by dehydration of glycerol, and then can be oxidized into acrylic acid. Actually, the oxidation step from acrolein to acrylic acid is already optimized at an industrial level; therefore, we decided to investigate in depth the first step of the process. I studied the reactivity of heterogeneous acid catalysts based on sulphated zirconia. Tests were carried out both in aerobic and anaerobic conditions, in order to investigate the effect of oxygen on the catalyst deactivation rate (one main problem usually met in glycerol dehydration). Finally, I studied the reactivity of bifunctional systems, made of Keggin-type polyoxometalates, either alone or supported over sulphated zirconia, in this way combining the acid functionality (necessary for the dehydrative step) with the redox one (necessary for the oxidative step). In conclusion, during my PhD work I investigated reactions that apply the “green chemistry” rules and strategies; in particular, I studied new greener approaches for the synthesis of chemicals (Part A and Part B), the optimisation of reaction parameters to make the oxidation process more flexible (Part C), and the use of a bioplatform molecule for the synthesis of a chemical intermediate (Part D).

Progetto per un Museo e Parco Archeologico a Verucchio

Ma la città non dice il suo passato, lo contiene come le linee di una mano. Scritto negli spigoli delle vie, nelle griglie delle finestre, negli scorrimano delle scale, nelle antenne dei parafulmini, nelle aste delle bandiere, ogni segmento rigato a sua volta di graffi, seghettature, intagli, virgole1 Calvino così parla di Zaira in Le Città Invisibili nella sezione dedicata a Le città e la memoria. Forse nessuno meglio di lui ci restituisce una visione del concetto di memoria all’interno di città. Il tema del passato, quindi della sua memoria, è argomento imprescindibile per la progettazione di un museo archeologico. L’obbiettivo di questa tesi è finalizzato alla realizzazione di un parco archeologico e di un nuovo museo archeologico che valorizzi i tesori del paese di Verucchio. Lo scopo ricercato è quello cogliere i frutti di tante campagne archeologiche svoltesi in questa terra per restituire visibilmente alla memoria, l’eccezionale patrimonio storico di epoca Villanoviana-Etrusca. Parlare di archeologia significa, da sempre, indagare il tempo, la storia, e l’uomo. Dal momento in cui l’uomo riscopre il passato compie congiuntamente una revisione del presente e influenza il suo futuro. Le architetture che trattano il tema dell’archeologia riflettono su questioni ampie e complesse come la memoria storica, la salvaguardia e la rivitalizzazione delle risorse del territorio. Il museo, in particolare, è un tema architettonico privilegiato essendo esso una delle istituzioni fondamentali del mondo occidentale degli ultimi secoli. Il ruolo civile di un architetto, svolto all’interno della società, è maggiormente sollecitato quando si deve confrontare con una delle tipologie architettoniche di maggiore rilievo nella cultura moderna. Per questo è indispensabile acquisire una consapevolezza critica fondata sulla cultura e sulla conoscenza della realtà dei luoghi, con le sue ricchezze e contraddizioni, con le sue dinamiche e le sue risorse.

L'Aquila, progettare la Ricostruzione: residenze per studenti e parco delle mura urbane.

Perché L’Aquila? A seguito del sisma del 2009, L’Aquila offre un’occasione per riflessioni su temi urbanistici e di composizione urbana, oltre che un reale campo di sperimentazione architettonica. Perché il centro storico? Come cuore culturale ed economico dell’intera vallata dell’Aterno, il centro storico rappresenta una priorità per la Ricostruzione; il suo valore storico è la sintesi consolidata nel tempo del rapporto di una società con i luoghi della propria residenza. Una memoria da difendere attraverso l’elaborazione di strategie di intervento e idee di progetto. Qual è l’obiettivo? Il lavoro di ricerca e di progettazione mira ad individuare degli scenari e proporre delle idee di ricostruzione per tornare ad abitare il centro storico. Qual è il metodo? Per affrontare una situazione così complessa è indispensabile una conoscenza storica della struttura urbana della città prima del sisma. Inoltre è necessario comprendere l’evoluzione degli eventi (da aprile del 2009 al luglio 2011) al fine di riconoscere quali direzioni possibili può prendere un progetto che si inserisce, oggi, in un sistema ancora in cerca di un equilibrio. La Ricostruzione, intesa come processo strategico e progettuale di ridefinizione degli equilibri e delle prospettive, consente, ma forse ancor meglio esige, un ripensamento complessivo ed organico dell’intera struttura urbana. Si tratta quindi di ridefinire le relazioni tra la città storica e la sua periferia comprendendo il rapporto che un progetto di Ricostruzione può avere nel medio e lungo termine, il tutto in un contesto economico e soprattutto sociale in forte trasformazione. Il progetto propone così un nuovo complesso di residenze universitarie che potrà accogliere settantadue studenti insieme a diversi servizi quali sale lettura, sale polivalenti e una mensa. Si prevede inoltre il potenziamento della struttura di accoglienza dei salesiani con 8 nuovi alloggi per professori e una nuova Biblioteca. Il progetto vuole ricreare una continuità nel sistema del verde urbano come mezzo più appropriato e idoneo per relazionare la prima periferia alla città murata.

Un luogo per la cultura e lo spettacolo Nuove funzioni per l'area del Bastione dei Cappuccini a Pesaro

Questo lavoro mi ha dato la possibilità di unire tre grandi passioni: l’architettura, la storia e il teatro. Tali elementi hanno caratterizzato nel passato, come nel presente, vicissitudini e cambiamenti della città di Pesaro, scenario nel quale si alternano l’architettura a carattere nazionale e quella locale, la storia d’Italia e quella della comunità cittadina, gli spettacoli teatrali di richiamo internazionale a quelli di filodrammatica e dialettali. Con le dovute eccezioni, i cittadini pesaresi della mia generazione poco o nulla sanno della storia della città e della sua evoluzione, perché sono nati e cresciuti in anni in cui questa è rimasta pressoché invariata nella sua struttura urbana e nelle caratteristiche morfologiche; unico elemento visibile del continuo evolversi della città è l’espansione dell’area abitata verso la periferia, la progressiva saturazione dello spazio tra l’espansione urbana del dopoguerra e le zone periferiche. La memoria storica riguardante modifiche importanti che la città ha subìto è, come spesso accade, riposta in chi ha vissuto quei cambiamenti, nonché in qualche giornalista o studioso locale che per lavoro o passione indaga quegli avvenimenti. Tralasciando le controversie meramente politiche, Pesaro ha vissuto in passato una stagione di forti dibattiti sulle vicende architettoniche ed urbanistiche della città, tale fu il coinvolgimento e a volte l’ostruzionismo dell’opinione pubblica a tali trasformazioni; basti citare le discussioni e i dubbi sollevati dal Piano Particolareggiato del Centro Storico nel 1974 elaborato dagli architetti dell’Istituto Universitario di Architettura di Venezia - Carlo Aymonino, Costantino Dardi, Gianni Fabbri, Raffaele Panella, Gianugo Polesello, Luciano Semerani e Mauro Lena - nonostante negli anni seguenti solo pochi elementi del Piano vennero attuati e neanche compiutamente. Di questi dibattiti, negli anni seguenti, ve ne saranno pochi e limitati alla sfera politica, con scarso interesse e coinvolgimento da parte dei cittadini. Contrariamente, nell’ultimo periodo, si assiste parallelamente a due condizioni: un rinnovato interesse da parte dei cittadini per la storia della città, promosso anche dal moltiplicarsi di eventi, mostre, conferenze, pubblicazioni sull’argomento, e un’attenzione nuova per quelli che sono i temi legati alla qualità degli interventi architettonici ed urbanistici, da parte dell’amministrazione comunale. Primaria importanza nella promozione di questo interesse riveste l’Istituto di Storia Contemporanea della Provincia di Pesaro e Urbino e la Biblioteca–Archivio “Vittorio Bobbato”, i quali congiuntamente a diversi autori hanno realizzato vari studi e pubblicazioni su tali argomenti. Il Comune si è fatto promotore di diversi interventi, in attuazione di un Piano Regolatore Generale che, nelle intenzioni, mette al centro la qualità architettonica ed urbana degli interventi, puntando su nuove opere e, per quanto riguarda principalmente il Centro Storico, anche sul recupero dell’esistente. I presupposti dell’intervento progettuale si inseriscono in questo dibattito basandosi sull’idea, attualmente in discussione presso i diversi livelli istituzionali coinvolti, della realizzazione di un nuovo polo ospedaliero congiunto con la città di Fano; quando ciò si realizzerà, l’area ora occupata dall’ospedale pesarese verrà progressivamente liberata, interamente o in parte, determinando un grande vuoto urbano proprio alle porte del centro storico. Questo sito, di notevole privilegio sotto il profilo morfologico e posizionale rispetto alle infrastrutture, è assolutamente appropriato per insediarvi un polo culturale legato al teatro, essendo l’area confinante con quella sulla quale sorge il principale teatro cittadino, il Teatro Rossini. L’area di progetto è una testimonianza della storia urbana della città: presenta uno dei due esempi superstiti di quelli che furono i bastioni della cinta muraria cittadina, nella sua massima espansione, sotto il dominio dei Della Rovere ed il fatto che tale opera sia in parte arrivata ai giorni nostri, più che della scelta degli amministratori locali passati, fu il risultato di vicissitudini politiche, del caso e della centenaria presenza dell’ospedale che di fatto ha vincolato l’area preservandola da trasformazioni non idonee come accaduto per altre parti del centro storico. Se la storia urbana di Pesaro è la base per poter pensare il suo futuro, non meno importanza ricoprono le manifestazioni e le istituzioni che hanno fatto di Pesaro un punto d’incontro culturale a carattere internazionale, elementi anch’essi che testimoniano la qualità della città. La città ospita principalmente due eventi internazionali: la Mostra Internazionale del Nuovo Cinema e il Rossini Opera Festival, ai quali si legano altre importanti manifestazioni e istituzioni culturali. Strutturalmente indipendente, ma legato indissolubilmente alla figura del grande compositore pesarese a cui è dedicato il festival, vi è il Conservatorio Statale di Musica “Gioachino Rossini”, anch’esso un punto di riferimento nel panorama culturale e musicale internazionale. Uno degli elementi caratterizzanti del festival rossiniano è quello di essere un evento che letteralmente coinvolge l’intera città, poiché le varie rappresentazioni sceniche, i concerti, gli eventi collaterali, trovano spazio in diversi luoghi del centro storico e non solo, arrivando ad utilizzare anche l’Adriatic Arena (palazzo dello sport), ubicato in periferia. L’allestimento di una struttura sportiva al fine di potervi svolgere spettacoli teatrali è un onere ulteriore per l’organizzazione dell’evento che viene ripagato solo dalla grande affluenza di pubblico che è capace di garantire tale struttura, allontanandosi però dall’intuizione iniziale dell’evento che voleva nel centro cittadino il fulcro stesso della manifestazione. Sviluppare un progetto per un centro culturale legato al teatro e alla musica, oltre ad essere un argomento di elevato interesse personale, è un tema ricorrente da oltre un decennio nei dibattiti cittadini, che però non ha trovato fino ad ora la possibilità di essere realizzato. Le motivazioni possono essere molteplici, dalla mancanza di una struttura univoca con cui la pubblica amministrazione possa confrontarsi, alla cronica mancanza di fondi pubblici che la obbligherebbero a ricercare figure private in grado di co-finanziare l’intervento e, non meno importante, la mancanza, fino ad ora, di un’area idonea. Al di là dell’utilizzo a cui sarà destinata l’area di progetto, è di primaria importanza per l’amministrazione comunale aprire un tavolo di confronto con la proprietà dell’area ospedaliera, in modo da non lasciare nulla al caso nelle scelte che condizioneranno la trasformazione. Questa tesi è un’opportunità di confronto personale con la città di oggi, le trasformazioni passate e quelle future; l’architettura, la storia della città ed il teatro possono essere tre elementi cardine per una crescita ed una consapevolezza nuova delle potenzialità di Pesaro nel panorama culturale. La progettazione di un luogo per la cultura e lo spettacolo si fonda su tutte queste premesse, sulla necessità per la città di dotarsi di luoghi idonei che possano finalmente accogliere al meglio tutte le manifestazioni legate al teatro e alla musica e che possa inserirsi quale ulteriore spunto di dibattito nella preparazione del dossier che punta a far riconoscere Pesaro quale “Città della Musica”, inserita nella rete delle città creative dell’UNESCO.

Pondicherry, India: progetto per il nuovo waterfront

Il tema oggetto della tesi riguarda la riqualificazione del nuovo waterfront per la città di Pondicherry situata nell'India del sud. Dopo una attenta analisi sulla città, comprendente un'ampia analisi storica e cartografica, l'analisi del verde e dell'acqua, del tessuto edilizio e dell'emergenza abitativa che la città si trova ad affrontare, è stato scelto di progettare una nuova darsena come polo attrattivo al cui interno fossero previsti spazi per la comunità ed il turismo: un museo del mare, un hotel, un parco pubblico, un sistema di piazze e zone di sosta all'aperto, un complesso residenziale di espansione.

Modelli Digitali e Archivi di Progetto. Sistemi integrati di documentazione per l'architettura.

Le tecniche dell'informazione e i metodi della comunicazione hanno modificato il modo di redigere documenti destinati a trasmettere la conoscenza, in un processo che è a tutt'oggi in corso di evoluzione. Anche l'attività progettuale in ingegneria ed architettura, pure in un settore caratterizzato da una notevole inerzia metodologica e restio all'innovazione quale è quello dell'industria edilizia, ha conosciuto profonde trasformazioni in ragione delle nuove espressioni tecnologiche. Da tempo l'informazione necessaria per realizzare un edificio, dai disegni che lo rappresentano sino ai documenti che ne indicano le modalità costruttive, può essere gestita in maniera centralizzata mediante un unico archivio di progetto denominato IPDB (Integrated Project DataBase) pur essendone stata recentemente introdotta sul mercato una variante più operativa chiamata BIM (Building Information Modelling). Tuttavia l'industrializzazione del progetto che questi strumenti esplicano non rende conto appieno di tutti gli aspetti che vedono la realizzazione dell'opera architettonica come collettore di conoscenze proprie di una cultura progettuale che, particolarmente in Italia, è radicata nel tempo. La semantica della rappresentazione digitale è volta alla perequazione degli elementi costitutivi del progetto con l'obiettivo di catalogarne le sole caratteristiche fabbricative. L'analisi della letteratura scientifica pertinente alla materia mostra come non sia possibile attribuire ai metodi ed ai software presenti sul mercato la valenza di raccoglitori omnicomprensivi di informazione: questo approccio olistico costituisce invece il fondamento della modellazione integrata intesa come originale processo di rappresentazione della conoscenza, ordinata secondo il paradigma delle "scatole cinesi", modello evolvente che unifica linguaggi appartenenti ai differenti attori compartecipanti nei settori impiantistici, strutturali e della visualizzazione avanzata. Evidenziando criticamente i pregi e i limiti operativi derivanti dalla modellazione integrata, la componente sperimentale della ricerca è stata articolata con l'approfondimento di esperienze condotte in contesti accademici e professionali. Il risultato conseguito ha coniugato le tecniche di rilevamento alle potenzialità di "modelli tridimensionali intelligenti", dotati cioè di criteri discriminanti per la valutazione del relazionamento topologico dei componenti con l'insieme globale.

Matematica tra arte e musica: un progetto didattico

L'intento della tesi è realizzare un'unità didattica rivolta ad una classe di terza media, incentrata sullo studio della simmetria, partendo dall'osservazione delle arti decorative, nella fattispecie dei fregi, fino ad approdare all'analisi di particolari composizioni musicali. Nel primo capitolo ci proponiamo di classificare i \textit{gruppi dei fregi}, ovvero i sottogruppi discreti dell'insieme delle isometrie del piano euclideo in cui le traslazioni formano un sottogruppo ciclico infinito. Nel secondo capitolo trasferiremo i concetti introdotti nel primo capitolo dal piano euclideo a quello musicale. Nel terzo capitolo troveremo la descrizione della proposta didattica costruita sulla base dei contenuti raccolti nei primi due capitoli. Tale laboratorio è stato ideato nel tentativo di assolvere un triplice compito: fornire uno strumento in più per lo studio matematico delle isometrie e delle simmetrie, mostrare in che modo un processo fisico come la musica può essere rappresentato sul piano cartesiano come funzione del tempo, offrendo un primo assaggio di ciò che molti ragazzi dovranno affrontare nel prosieguo dei loro studi e infine introdurre lo studente ad un approccio più critico e ``scientifico'' all’arte in generale, e in particolare alla musica.

Studies of OPA1 pathogenic mechanisms in Dominant Optic Atrophy and novel protein function in mitochondrial DNA stability

The mitochondrion is an essential cytoplasmic organelle that provides most of the energy necessary for eukaryotic cell physiology. Mitochondrial structure and functions are maintained by proteins of both mitochondrial and nuclear origin. These organelles are organized in an extended network that dynamically fuses and divides. Mitochondrial morphology results from the equilibrium between fusion and fission processes, controlled by a family of “mitochondria-shaping” proteins. It is becoming clear that defects in mitochondrial dynamics can impair mitochondrial respiration, morphology and motility, leading to apoptotic cell death in vitro and more or less severe neurodegenerative disorders in vivo in humans. Mutations in OPA1, a nuclear encoded mitochondrial protein, cause autosomal Dominant Optic Atrophy (DOA), a heterogeneous blinding disease characterized by retinal ganglion cell degeneration leading to optic neuropathy (Delettre et al., 2000; Alexander et al., 2000). OPA1 is a mitochondrial dynamin-related guanosine triphosphatase (GTPase) protein involved in mitochondrial network dynamics, cytochrome c storage and apoptosis. This protein is anchored or associated on the inner mitochondrial membrane facing the intermembrane space. Eight OPA1 isoforms resulting from alternative splicing combinations of exon 4, 4b and 5b have been described (Delettre et al., 2001). These variants greatly vary among diverse organs and the presence of specific isoforms has been associated with various mitochondrial functions. The different spliced exons encode domains included in the amino-terminal region and contribute to determine OPA1 functions (Olichon et al., 2006). It has been shown that exon 4, that is conserved throughout evolution, confers functions to OPA1 involved in maintenance of the mitochondrial membrane potential and in the fusion of the network. Conversely, exon 4b and exon 5b, which are vertebrate specific, are involved in regulation of cytochrome c release from mitochondria, and activation of apoptosis, a process restricted to vertebrates (Olichon et al., 2007). While Mgm1p has been identified thanks to its role in mtDNA maintenance, it is only recently that OPA1 has been linked to mtDNA stability. Missense mutations in OPA1 cause accumulation of multiple deletions in skeletal muscle. The syndrome associated to these mutations (DOA-1 plus) is complex, consisting of a combination of dominant optic atrophy, progressive external ophtalmoplegia, peripheral neuropathy, ataxia and deafness (Amati- Bonneau et al., 2008; Hudson et al., 2008). OPA1 is the fifth gene associated with mtDNA “breakage syndrome” together with ANT1, PolG1-2 and TYMP (Spinazzola et al., 2009). In this thesis we show for the first time that specific OPA1 isoforms associated to exon 4b are important for mtDNA stability, by anchoring the nucleoids to the inner mitochondrial membrane. Our results clearly demonstrate that OPA1 isoforms including exon 4b are intimately associated to the maintenance of the mitochondrial genome, as their silencing leads to mtDNA depletion. The mechanism leading to mtDNA loss is associated with replication inhibition in cells where exon 4b containing isoforms were down-regulated. Furthermore silencing of exon 4b associated isoforms is responsible for alteration in mtDNA-nucleoids distribution in the mitochondrial network. In this study it was evidenced that OPA1 exon 4b isoform is cleaved to provide a 10kd peptide embedded in the inner membrane by a second transmembrane domain, that seems to be crucial for mitochondrial genome maintenance and does correspond to the second transmembrane domain of the yeasts orthologue encoded by MGM1 or Msp1, which is also mandatory for this process (Diot et al., 2009; Herlan et al., 2003). Furthermore in this thesis we show that the NT-OPA1-exon 4b peptide co-immuno-precipitates with mtDNA and specifically interacts with two major components of the mitochondrial nucleoids: the polymerase gamma and Tfam. Thus, from these experiments the conclusion is that NT-OPA1- exon 4b peptide contributes to the nucleoid anchoring in the inner mitochondrial membrane, a process that is required for the initiation of mtDNA replication and for the distribution of nucleoids along the network. These data provide new crucial insights in understanding the mechanism involved in maintenance of mtDNA integrity, because they clearly demonstrate that, besides genes implicated in mtDNA replications (i.e. polymerase gamma, Tfam, twinkle and genes involved in the nucleotide pool metabolism), OPA1 and mitochondrial membrane dynamics play also an important role. Noticeably, the effect on mtDNA is different depending on the specific OPA1 isoforms down-regulated, suggesting the involvement of two different combined mechanisms. Over two hundred OPA1 mutations, spread throughout the coding region of the gene, have been described to date, including substitutions, deletions or insertions. Some mutations are predicted to generate a truncated protein inducing haploinsufficiency, whereas the missense nucleotide substitutions result in aminoacidic changes which affect conserved positions of the OPA1 protein. So far, the functional consequences of OPA1 mutations in cells from DOA patients are poorly understood. Phosphorus MR spectroscopy in patients with the c.2708delTTAG deletion revealed a defect in oxidative phosphorylation in muscles (Lodi et al., 2004). An energetic impairment has been also show in fibroblasts with the severe OPA1 R445H mutation (Amati-Bonneau et al., 2005). It has been previously reported by our group that OPA1 mutations leading to haploinsufficiency are associated in fibroblasts to an oxidative phosphorylation dysfunction, mainly involving the respiratory complex I (Zanna et al., 2008). In this study we have evaluated the energetic efficiency of a panel of skin fibroblasts derived from DOA patients, five fibroblast cell lines with OPA1 mutations causing haploinsufficiency (DOA-H) and two cell lines bearing mis-sense aminoacidic substitutions (DOA-AA), and compared with control fibroblasts. Although both types of DOA fibroblasts maintained a similar ATP content when incubated in a glucose-free medium, i.e. when forced to utilize the oxidative phosphorylation only to produce ATP, the mitochondrial ATP synthesis through complex I, measured in digitonin-permeabilized cells, was significantly reduced in cells with OPA1 haploinsufficiency only, whereas it was similar to controls in cells with the missense substitutions. Furthermore, evaluation of the mitochondrial membrane potential (DYm) in the two fibroblast lines DOA-AA and in two DOA-H fibroblasts, namely those bearing the c.2819-2A>C mutation and the c.2708delTTAG microdeletion, revealed an anomalous depolarizing response to oligomycin in DOA-H cell lines only. This finding clearly supports the hypothesis that these mutations cause a significant alteration in the respiratory chain function, which can be unmasked only when the operation of the ATP synthase is prevented. Noticeably, oligomycin-induced depolarization in these cells was almost completely prevented by preincubation with cyclosporin A, a well known inhibitor of the permeability transition pore (PTP). This results is very important because it suggests for the first time that the voltage threshold for PTP opening is altered in DOA-H fibroblasts. Although this issue has not yet been addressed in the present study, several are the mechanisms that have been proposed to lead to PTP deregulation, including in particular increased reactive oxygen species production and alteration of Ca2+ homeostasis, whose role in DOA fibroblasts PTP opening is currently under investigation. Identification of the mechanisms leading to altered threshold for PTP regulation will help our understanding of the pathophysiology of DOA, but also provide a strategy for therapeutic intervention.

Very Long Baseline Interferometry in Italy Wide-field VLBI imaging and astrometry and prospects for an Italian VLBI network including the Sardinia Radio Telescope

In this thesis the use of widefield imaging techniques and VLBI observations with a limited number of antennas are explored. I present techniques to efficiently and accurately image extremely large UV datasets. Very large VLBI datasets must be reduced into multiple, smaller datasets if today’s imaging algorithms are to be used to image them. I present a procedure for accurately shifting the phase centre of a visibility dataset. This procedure has been thoroughly tested and found to be almost two orders of magnitude more accurate than existing techniques. Errors have been found at the level of one part in 1.1 million. These are unlikely to be measurable except in the very largest UV datasets. Results of a four-station VLBI observation of a field containing multiple sources are presented. A 13 gigapixel image was constructed to search for sources across the entire primary beam of the array by generating over 700 smaller UV datasets. The source 1320+299A was detected and its astrometric position with respect to the calibrator J1329+3154 is presented. Various techniques for phase calibration and imaging across this field are explored including using the detected source as an in-beam calibrator and peeling of distant confusing sources from VLBI visibility datasets. A range of issues pertaining to wide-field VLBI have been explored including; parameterising the wide-field performance of VLBI arrays; estimating the sensitivity across the primary beam both for homogeneous and heterogeneous arrays; applying techniques such as mosaicing and primary beam correction to VLBI observations; quantifying the effects of time-average and bandwidth smearing; and calibration and imaging of wide-field VLBI datasets. The performance of a computer cluster at the Istituto di Radioastronomia in Bologna has been characterised with regard to its ability to correlate using the DiFX software correlator. Using existing software it was possible to characterise the network speed particularly for MPI applications. The capabilities of the DiFX software correlator, running on this cluster, were measured for a range of observation parameters and were shown to be commensurate with the generic performance parameters measured. The feasibility of an Italian VLBI array has been explored, with discussion of the infrastructure required, the performance of such an array, possible collaborations, and science which could be achieved. Results from a 22 GHz calibrator survey are also presented. 21 out of 33 sources were detected on a single baseline between two Italian antennas (Medicina to Noto). The results and discussions presented in this thesis suggest that wide-field VLBI is a technique whose time has finally come. Prospects for exciting new science are discussed in the final chapter.