Influenza della variabilità spaziale sul trasporto reattivo

La tesi ha per obiettivo di quantificare gli effetti che la variabilità spaziale del mezzo poroso ha sull'evoluzione di un sistema geochimico. Le reazioni di dissoluzione o precipiazione di minerali modificano la struttura microscopica del mezzo, e con essa le proprietà idrodinamiche del sistema, la permeabilità in modo particolare. La variabilità spaziale iniziale del mezzo può essere causa della formazione di digitazioni o canalizzazioni? La prima parte della tesi tratta il cambiamento di scala, necessario per passare da una simulazione geostatistica su griglia fine al calcolo di trasporto su una tessellazione più grossolana. Nel caso del codice di calcolo Hytec, che implementa uno schema ai volumi finiti basato su discretizzazione in poligoni di Voronoï, sono stati confrontati diversi metodi di calcolo della permeabilità equivalente, seguendo differenti criteri. La seconda parte riguarda i calcoli di trasporto reattivo condotti su famiglie di simulazioni geostatistiche del mezzo; l'influenza della variabilità spaziale iniziale sull'evoluzione dei sistemi viene quantificata grazie ad opportune grandezze osservabili. Sono state studiate due reazioni distinte: un caso di dissoluzione, in maniera più approfondita, e più rapidamente un caso di precipitazione, il cui effetto complessivo è quello di riequilibrare il sistema.

L'influenza del sonno sull'andamento temporale della consolidazione delle abilità procedurali

Background: It is well known, since the pioneristic observation by Jenkins and Dallenbach (Am J Psychol 1924;35:605-12), that a period of sleep provides a specific advantage for the consolidation of newly acquired informations. Recent research about the possible enhancing effect of sleep on memory consolidation has focused on procedural memory (part of non-declarative memory system, according to Squire’s taxonomy), as it appears the memory sub-system for which the available data are more consistent. The acquisition of a procedural skill follows a typical time course, consisting in a substantial practice-dependent learning followed by a slow, off-line improvement. Sleep seems to play a critical role in promoting the process of slow learning, by consolidating memory traces and making them more stable and resistant to interferences. If sleep is critical for the consolidation of a procedural skill, then an alteration of the organization of sleep should result in a less effective consolidation, and therefore in a reduced memory performance. Such alteration can be experimentally induced, as in a deprivation protocol, or it can be naturally observed in some sleep disorders as, for example, in narcolepsy. In this research, a group of narcoleptic patients, and a group of matched healthy controls, were tested in two different procedural abilities, in order to better define the size and time course of sleep contribution to memory consolidation. Experimental Procedure: A Texture Discrimination Task (Karni & Sagi, Nature 1993;365:250-2) and a Finger Tapping Task (Walker et al., Neuron 2002;35:205-11) were administered to two indipendent samples of drug-naive patients with first-diagnosed narcolepsy with cataplexy (International Classification of Sleep Disorder 2nd ed., 2005), and two samples of matched healthy controls. In the Texture Discrimination task, subjects (n=22) had to learn to recognize a complex visual array on the screen of a personal computer, while in the Finger Tapping task (n=14) they had to press a numeric sequence on a standard keyboard, as quickly and accurately as possible. Three subsequent experimental sessions were scheduled for each partecipant, namely a training session, a first retrieval session the next day, and a second retrieval session one week later. To test for possible circadian effects on learning, half of the subjects performed the training session at 11 a.m. and half at 17 p.m. Performance at training session was taken as a measure of the practice-dependent learning, while performance of subsequent sessions were taken as a measure of the consolidation level achieved respectively after one and seven nights of sleep. Between training and first retrieval session, all participants spent a night in a sleep laboratory and underwent a polygraphic recording. Results and Discussion: In both experimental tasks, while healthy controls improved their performance after one night of undisturbed sleep, narcoleptic patients showed a non statistically significant learning. Despite this, at the second retrieval session either healthy controls and narcoleptics improved their skills. Narcoleptics improved relatively more than controls between first and second retrieval session in the texture discrimination ability, while their performance remained largely lower in the motor (FTT) ability. Sleep parameters showed a grater fragmentation in the sleep of the pathological group, and a different distribution of Stage 1 and 2 NREM sleep in the two groups, being thus consistent with the hypothesis of a lower consolidation power of sleep in narcoleptic patients. Moreover, REM density of the first part of the night of healthy subjects showed a significant correlation with the amount of improvement achieved at the first retrieval session in TDT task, supporting the hypothesis that REM sleep plays an important role in the consolidation of visuo-perceptual skills. Taken together, these results speak in favor of a slower, rather than lower consolidation of procedural skills in narcoleptic patients. Finally, an explanation of the results, based on the possible role of sleep in contrasting the interference provided by task repetition is proposed.

Studio della subunità epsilon della DNA polimerasi III di Escherichia coli: stabilità e interazione con la subunità polimerasica

Faithful replication of DNA from one generation to the next is crucial for long-term species survival. Genomic integrity in prokaryotes, archaea and eukaryotes is dependent on efficient and accurate catalysis by multiple DNA polymerases. Escherichia coli possesses five known DNA polymerases (Pol). DNA polymerase III holoenzyme is the major replicative polymerase of the Escherichia coli chromosome (Kornberg, 1982). This enzyme contains two Pol III cores that are held together by a t dimer (Studwell-Vaughan and O’Donnell, 1991). The core is composed of three different proteins named α-, ε- and θ-subunit. The α-subunit, encoded by dnaE, contains the catalytic site for DNA polymerisation (Maki and Kornberg, 1985), the ε-subunit, encoded by dnaQ, contains the 3′→5′ proofreading exonuclease (Scheuermann, et al., 1983) and the θ-subunit, encoded by hole, that has no catalytic activity (Studwell-Vaughan, and O'Donnell, 1983). The three-subunit α–ε–θ DNA pol III complex is the minimal active polymerase form purified from the DNA pol III holoenzyme complex; these three polypeptides are tightly associated in the core (McHenry and Crow, 1979) Despite a wealth of data concerning the properties of DNA polymerase III in vitro, little information is available on the assembly in vivo of this complex enzyme. In this study it is shown that the C-terminal region of the proofreading subunit is labile and that the ClpP protease and the molecular chaperones GroL and DnaK control the overall concentration in vivo of ε. Two α-helices (comprising the residues E311-M335 and G339-D353, respectively) of the N-terminal region of the polymerase subunit were shown to be essential for the binding to ε. These informations could be utilized to produce a conditional mutator strain in which proofreading activity would be titrated by a a variant that can only bind e and that is polymerase-deficient. In this way the replication of DNA made by DNA Pol-III holoenzyme would accordingly become error-prone.

Influenza delle caratteristiche quali-quantitative della luce da fonti artificiali sulla fisio-morfologia di piante verdi per interior landscaping

La conoscenza delle esigenze luminose (intensità, spettro, durata minima, massima ed ottimale del fotoperiodo di illuminazione) e della tolleranza alle condizioni degli interni delle piante ad uso decorativo, è di fondamentale importanza per una giusta tecnica di progettazione (dimensionamento e dislocazione dei punti luce) dell’indoor plantscaping. Il lungo periodo di condizionamento al quale queste piante vengono sottoposte, caratterizzato principalmente dalla scarsa disponibilità di luce naturale e dagli alti livelli di concentrazione di CO2 determina una forte influenza sui processi morfo-fisiologici. Il presente studio analizza il fattore luminoso ed è articolato su più punti quali; • caratterizzazione della riposta fotosintetica all’intensità luminosa di 21 delle principali specie a fogliame decorativo comunemente utilizzate nella realizzazione degli spazi verdi indoor, per stabilire quali siano i minimi ed ottimali livelli di PAR tali da garantire una fotosintesi netta positiva e nel complesso le condizioni di maggior benessere per le piante; • quantificazione dell’incremento fotosintetico netto dovuto ad una maggior concentrazione di CO2 negli interni rispetto alla concentrazione CO2 atmosferica esterna, all’aumentare dell’ intensità luminosa artificiale sulle precedenti specie; • monitoraggio dell’andamento delle attività fotosintetiche durante il periodo di illuminazione di 8 ore comunemente utilizzato in un interno ad uso lavorativo, a PAR costante e variabile in Ficus elastica e Dieffenbachia picta, al fine di stabilire quali possano essere le durate e le modalità di somministrazione della luce per rendere massima la fotosintesi netta riducendo al minimo i consumi energetici dovuti all’accensione delle lampade; • valutazione della risposta morfo-fisiologica e fotosintetica a modificazioni dello spettro luminoso mediante l’uso di LED monocromatici colorati ad emissione nel bianco, blu e rosso in Ficus benjamina e Iresine herbistii al fine di stabilire se questo tipo di lampade possano essere utilizzate come fonte integrativa e/o sostitutiva nella realizzazione degli spazi verdi interni. Vengono analizzati il punto si compensazione alla luce (g), il punto di saturazione alla luce (s), l’efficienza quantica (AQE), il punto di respirazione al buio (Rd) e la fotosintesi netta massima (A max) per (Aglaonema commutatum, Asplenium nidus, Anthurium andreanum, Begonia rex, Calathea luoise, Calathea veitchiana, Calathea rufibarba, Calathea zebrina, Codiaeum variegatum, Cthenanthe oppenheimiana, Dieffenbakia picta, Ficus benjamina, Ficus elatica, Ficus longifolia, Fittonia verschaffeltii, Iresine herbistii, Philodendron erubescens, Philodendron pertusum, Potos aureus, Spathiphillum wallisi, Syngonium podophillum ) e classificate le specie in funzione di Amax in quattro categorie; A max < 2 µmol CO2 m-2 s-1, A max compresa tra 2 e 4 µmol CO2 m-2 s-1, Amax cpmpresa tra 4 e 6 µmol CO2 m-2 s-1, Amax > 6 µmol CO2 m-2 s-1, al fine di mettere in risalto la potenzialità fotosintetiche di ogni singola specie. I valori di PAR compresi tra (g) ed (s) forniscono le indicazioni sulle quali basarsi per scegliere una giusta lampada o dimensionare un punto luce per ogni singola specie e/o composizione. È stimata l’influenza di due livelli di concentrazione di CO2 ambientale (400 e 800 ppm) all’incrementare dell’intensità luminosa sul processo fotosintetico delle specie precedenti. Per quasi tutte le specie 800 ppm di CO2 non favoriscono nessun incremento all’attività fotosintetica ad eccezione di Ficus benjamina, Ficus elatica e Syngonium podophillum se non accompagnati da una disponibilità luminosa superiore alle 10 µmol m-2 s-1. Viene monitorato l’andamento dell’attività fotosintetica a PAR costante e variabile (intervallando periodi di 8 minuti a PAR 40 e 80) durante 8 ore di illuminazione su Ficus elastica e Dieffenbachia picta al fine di stabilire la miglior modalità di somministrazione della luce. La fotosintesi netta cumulativa per l’intera durata di illuminazione a PAR costante mostra un calo dopo alcune ore dall’attivazione in Dieffenbackia, e un andamento oscillatorio in Ficus. L’illuminazione alternata consente di raggiungere i quantitativi di CO2 organicata a 80 µmol m-2 s-1 di PAR, dopo 5 ore e mezza sia in Ficus che Dieffenbackia sebbene le potenzialità fotosintetiche delle due piante siano molto differenti. È stato valutato l’effetto dell’illuminazione artificiale mediante LED (15W) a luce bianca, blu e rossa monocromatica in rapporto alla luce neon(36W) bianca tradizionale (con differenti abbinamenti tra le lampade) sui principali parametri morfologici e fisiologici, in Ficus benjamin ‘Variegata’ e Iresine herbistii per verificare se tali fonti possono rappresentare una valida alternativa nella sostituzione o integrazione di altre lampade per gli spazi verdi indoor. Tutte le combinazioni LED indagate possono rappresentare un’alternativa di sostituzione alla coltivazione con neon ed un risparmio energetico di oltre il 50%. Una PAR di 20,6 µmol m-2 s-1 della singola lampada LED bianco è sufficiente per mantenere la pianta in condizioni di sopravvivenza con un consumo di 15W a fronte dei 36W necessari per il funzionamento di ogni neon. La combinazione LED bianco + LED blu monocromatico favorisce il contenimento della taglia della pianta, caratteristica gradita nella fase di utilizzo indoor, una maggior produzione di sostanza secca e un’attività fotosintetica più elevata.

Influenza dell'Omeostasi Idrico-Elettrolitica sul Ciclo Veglia-Sonno

During the wake sleep (W-S) cycle in mammals, the alternation of the different states, wake, NREM sleep (NREMS) and REM sleep (REMS), is associated not only with electroencephalographic or behavioural changes, but also with modifications in the physiological regulations of the organism. The most evident change is the existence of a suspension of the somatic and autonomic thermoregulatory responses during REMS. Since thermoregulation is prevalently controlled by the Preoptic Area-Anterior Hypothalamus (PO-AH), its suspension during REM sleep has been taken as a sign of an impairment of the hypothalamic integrative activity that could explain the modifications in physiological regulation observed in this sleep stage. The recent finding from our laboratory that the secretion of the antidiuretic hormone arginine-vasopressin (AVP) in response to a central osmotic stimulation is quantitatively the same throughout the different stages of the W-S cycle, has shown that hypothalamic osmoregulation is not suspended during REMS. In order to clarify the extent of the hypothalamic involvement in the regulation of the W-S cycle, we have studied the effects of three days of water deprivation and of two days of recovery during which animals were allowed a free access to water, on the architecture of the W-S cycle. The condition of water deprivation represents a severe challenge involving neuroendocrine and autonomic hypothalamic regulations. In contradiction with thermoregulatory studies, in which it has been clearly demonstrated that a thermal challenge selectively reduces REMS occurrence, the results of this study show that REMS occurrence is mildly reduced only in the third day of water deprivation. The most striking effects produced by water deprivation appear to concern NREMS, which shows a selective and significant reduction in its slow EEG activity (delta-power) but not in its duration. The recovery period is mainly characterized by a disruption of the normal circadian rhythm of REMS occurrence and by a rebound of the delta power in NREMS. Thus, an autonomic challenge different from those related to thermoregulation and an endocrine challenge as the continuous secretion of AVP show to exert different effects on the stages of the wake-sleep cycle. Also, this study demonstrates that the impairment of the hypothalamic integrative activity thought to characterize the occurrence of REMS only involves thermoregulatory structures.

Preclinical development of cancer vaccines

Triplex cell vaccine is a cancer immunopreventive cell vaccine that can prevent almost completely mammary tumor onset in HER-2/neu transgenic mice. A future translation of cancer immunoprevention from preclinical to clinical studies should take into account several aspects. The work reported in this thesis deals with the study of three of these aspects: vaccine schedule, activity in a therapeutic set-up and second-generation DNA vaccines. An important element in determining human acceptance and compliance of a treatment protocol is the number of vaccinations. In order to improve the vaccination schedule a minimal protocol was searched, i.e. a schedule consisting of a lower number of administrations than standard protocol but with a similar efficacy. A candidate optimal protocol was identified by the use of an in silico model, SimTriplex simulator. The in vivo test of this schedule in HER-2/neu transgenic mice only partially confirmed in silico predictions. This result shows that in silico models have the potential ability to aid in searching of optimal treatment protocols, provided that they will be further tuned on experimental data. As a further result this preclinical study highlighted that kinetic of antibody response plays a major role in determining cancer prevention, leading to the hypothesis of a threshold that must be reached rapidly and maintained lifetime. Early clinical trials would be performed in a therapeutic, rather than preventive, setting. Thus, the activity of Triplex vaccine was investigated against experimental lung metastases in HER-2/neu transgenic mice in order to evaluate if the immunopreventive Triplex vaccine could be effective also against a pre-existing tumor mass. This preclinical model of aggressive metastatic development showed that the vaccine was an efficient treatment also 4 for the cure of micrometastases. However the immune mechanisms activated against tumor mass were not antibody dependent, i.e. different from those preventing the onset of primary mammary carcinoma. DNA vaccines could be more easily used than cellular ones. A second generation of Triplex vaccine based on DNA plasmids was evaluated in an aggressive preclinical model (BALBp53neu female mice) and compared with the preventive ability of cellular Triplex vaccine. It was observed that Triplex DNA vaccine was as effective as Triplex cell vaccine, exploiting a more restricted immune stimulation.