Computational strategies to include protein flexibility in Ligand Docking and Virtual Screening

The dynamic character of proteins strongly influences biomolecular recognition mechanisms. With the development of the main models of ligand recognition (lock-and-key, induced fit, conformational selection theories), the role of protein plasticity has become increasingly relevant. In particular, major structural changes concerning large deviations of protein backbones, and slight movements such as side chain rotations are now carefully considered in drug discovery and development. It is of great interest to identify multiple protein conformations as preliminary step in a screening campaign. Protein flexibility has been widely investigated, in terms of both local and global motions, in two diverse biological systems. On one side, Replica Exchange Molecular Dynamics has been exploited as enhanced sampling method to collect multiple conformations of Lactate Dehydrogenase A (LDHA), an emerging anticancer target. The aim of this project was the development of an Ensemble-based Virtual Screening protocol, in order to find novel potent inhibitors. On the other side, a preliminary study concerning the local flexibility of Opioid Receptors has been carried out through ALiBERO approach, an iterative method based on Elastic Network-Normal Mode Analysis and Monte Carlo sampling. Comparison of the Virtual Screening performances by using single or multiple conformations confirmed that the inclusion of protein flexibility in screening protocols has a positive effect on the probability to early recognize novel or known active compounds.

Discrete Event Systems based Design Patterns for Diagnosability Analysis of Automated Manufacturing Systems

The main goal of this thesis is to facilitate the process of industrial automated systems development applying formal methods to ensure the reliability of systems. A new formulation of distributed diagnosability problem in terms of Discrete Event Systems theory and automata framework is presented, which is then used to enforce the desired property of the system, rather then just verifying it. This approach tackles the state explosion problem with modeling patterns and new algorithms, aimed for verification of diagnosability property in the context of the distributed diagnosability problem. The concepts are validated with a newly developed software tool.

Plasmoscope: Automated spectroscopy of single nanoparticles

Plasmonen sind die kollektive resonante Anregung von Leitungselektronen. Vom Licht angeregternPlasmonen in subwellenlängen-grossen Nanopartikeln heissen Partikelplasmonen und sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Mikrosensoren wegen der starken Abhängigkeit der Resonanz an extern steuerbaren Parametern, wie die optischen Eigenschaften des umgebenden Mediums und die elektrische Ladung der Nanopartikel. Die extrem hohe Streue_zienz von Partikelplasmonen erlaubt eine einfache Beobachtung einzelner Nanopartikel in einem Mikroskop.rnDie Anforderung, schnell eine statistisch relevante Anzahl von Datenpunkten sammeln zu können,rnund die wachsende Bedeutung von plasmonischen (vor allem Gold-) Nanopartikeln für Anwendungenrnin der Medizin, hat nach der Entwicklung von automatisierten Mikroskopen gedrängt, die im bis dahin nur teilweise abgedeckten spektralen Fenster der biologischen Gewebe (biologisches Fenster) von 650 bis 900nm messen können. Ich stelle in dieser Arbeit das Plasmoscope vor, das genau unter Beobachtung der genannten Anforderungen entworfen wurde, in dem (1) ein einstellbarer Spalt in die Eingangsö_nung des Spektrometers, die mit der Bildebene des Mikroskops zusammenfällt, gesetzt wurde, und (2) einem Piezo Scantisch, der es ermöglicht, die Probe durch diesen schmalen Spalt abzurastern. Diese Verwirklichung vermeidet optische Elemente, die im nahen Infra-Rot absorbieren.rnMit dem Plasmoscope untersuche ich die plasmonische Sensitivität von Gold- und Silbernanostrnäbchen, d.h. die Plasmon-Resonanzverschiebung in Abhängigkeit mit der Änderung des umgebendenrnMediums. Die Sensitivität ist das Mass dafür, wie gut die Nanopartikeln Materialänderungenrnin ihrer Umgebung detektieren können, und damit ist es immens wichtig zu wissen, welche Parameterrndie Sensitivität beein_ussen. Ich zeige hier, dass Silbernanostäbchen eine höhere Sensitivität alsrnGoldnanostäbchen innerhalb des biologischen Fensters besitzen, und darüberhinaus, dass die Sensitivität mit der Dicke der Stäbchen wächst. Ich stelle eine theoretische Diskussion der Sensitivitätrnvor, indenti_ziere die Materialparameter, die die Sensitivität bein_ussen und leite die entsprechendenrnFormeln her. In einer weiteren Annäherung präsentiere ich experimentelle Daten, die die theoretische Erkenntnis unterstützen, dass für Sensitivitätsmessschemata, die auch die Linienbreite mitberücksichtigen, Goldnanostäbchen mit einem Aspektverhältnis von 3 bis 4 das optimalste Ergebnis liefern. Verlässliche Sensoren müssen eine robuste Wiederholbarkeit aufweisen, die ich mit Gold- und Silbernanostäbchen untersuche.rnDie Plasmonen-resonanzwellenlänge hängt von folgenden intrinsischen Materialparametern ab:rnElektrondichte, Hintergrundpolarisierbarkeit und Relaxationszeit. Basierend auf meinen experimentellen Ergebnissen zeige ich, dass Nanostäbchen aus Kupfer-Gold-Legierung im Vergleich zu ähnlich geformten Goldnanostäbchen eine rotverschobene Resonanz haben, und in welcher Weiserndie Linienbreite mit der stochimetrischen Zusammensetzung der legierten Nanopartikeln variiert.rnDie Abhängigkeit der Linienbreite von der Materialzusammensetzung wird auch anhand von silberbeschichteten und unbeschichteten Goldnanostäbchen untersucht.rnHalbleiternanopartikeln sind Kandidaten für e_ziente photovoltaische Einrichtungen. Die Energieumwandlung erfordert eine Ladungstrennung, die mit dem Plasmoscope experimentell vermessen wird, in dem ich die lichtinduzierte Wachstumsdynamik von Goldsphären auf Halbleiternanost äbchen in einer Goldionenlösung durch die Messung der gestreuten Intensität verfolge.rn

Applicazione della logica fuzzy al docking tra dirigibili

Progetto e analisi delle performance di un controllore realizzato con la metodologia fuzzy per una manovra di docking fra due dirigibili. Propedeutica a questo, è stata la campagna, presso la galleria del vento messa a disposizione dalla Clarkson University, di raccolta di dati sperimentali, che sono stati poi utilizzati per realizzare un simulatore con cui testare il controllore. Nel primo capitolo, si è presentato la tecnologia dei dirigibili, le varie tipologie ed una descrizione dei moderni concepts. Successivamente, sono state presentate le applicazioni nelle quali i moderni dirigibili possono essere impiegati. L’ultima parte tratta di due esempi di docking fra mezzi aerei: il rifornimento in volo e i “parasite aircrafts”. Il secondo capitolo, tratta della logica utilizzata dal controllore: la logica fuzzy. Le basi della teoria insiemistica classica sono state il punto di partenza per mostrare come, introducendo le funzioni di appartenenza, sia possibile commutare tra la teoria classica e fuzzy. La seconda parte del capitolo affronta le nozioni della teoria fuzzy, esponendo la metodologia con la quale è possibile inserire un controllore di questo tipo in un sistema “tradizionale”. Il terzo capitolo presenta il modello di volo dei dirigibili. Partendo dalla legge di Newton, introdotto il concetto di inerzia e massa aggiunte, si arriva alle equazioni del moto non lineari. L’ultima parte è stata dedicata alla linearizzazione delle equazioni e alla condizione di trim. Il quarto capitolo riguarda la campagna sperimentale di test in galleria del vento, con la realizzazione dei modelli in scala e la calibrazione della bilancia; successivamente, nel capitolo si commentano i dati sperimentali raccolti. Il quinto capitolo, mostra la metodologia con cui è possibile progettare un controllore fuzzy per il controllo della manovra di docking fra dirigibili. La seconda parte mostra le performance ottenute con questo tipo di sistema.

Design, realization and characterization of automated millifluidic bioreactors for investigating the molecular evolution of lytic or lysogenic vector phages infecting engineered host e. Coli

In questa tesi viene presentato un bioreattore in grado di mantenere nel tempo condizioni biologiche tali che consentano di massimizzare i cicli di evoluzione molecolare di vettori di clonazione fagici: litico (T7) o lisogeno (M13). Verranno quindi introdtti concetti legati alla Teoria della Quasispecie e alla relazione tra errori di autoreplicazione e pressioni selettive naturali o artificiali su popolazioni di virus: il modello naturale del sistema evolutivo. Tuttavia, mantenere delle popolazioni di virus significa formire loro un substrato dove replicare. Per fare ciò, altri gruppi di ricerca hanno giá sviluppato complessi e costosi prototipi di macchinari per la crescita continua di popolazioni batteriche: i compartimenti dei sistemi evolutivi. Il bioreattore, oggetto di questo lavoro, fa parte del progetto europeo Evoprog: general purpose programmable machine evolution on a chip (Jaramillo’s Lab, University of Warwick) che, utilizzando tecnologie fagiche e regolazioni sintetiche esistenti, sará in grado di produrre funzionalità biocomputazionali di due ordini di grandezza più veloci rispetto alle tecniche convenzionali, riducendo allo stesso tempo i costi complessivi. Il primo prototipo consiste in uno o piú fermentatori, dove viene fatta crescere la cultura batterica in condizioni ottimizzate di coltivazione continua, e in un cellstat, un volume separato, dove avviene solo la replicazione dei virus. Entrambi i volumi sono di pochi millilitri e appropriatamente interconnessi per consentire una sorta di screening continuo delle biomolecole prodotte all’uscita. Nella parte finale verranno presentati i risultati degli esperimenti preliminari, a dimostrazione dell’affidabilità del prototipo costruito e dei protocolli seguiti per la sterilizzazione e l’assemblaggio del bioreattore. Gli esperimenti effettuati dimostrano il successo di due coltivazioni virali continue e una ricombinazione in vivo di batteriofagi litici o lisogeni ingegnerizzati. La tesi si conclude valutando i futuri sviluppi e i limiti del sistema, tenendo in considerazione, in particolare, alcune applicazioni rivolte agli studi di una terapia batteriofagica.

A method for automated generation of radiotherapy treatment plans for lung cancer

La radioterapia è una tecnica molto impiegata per la cura del cancro. Attualmente la somministrazione avviene principalmente attraverso la intensity modulated radiotherapy (IMRT, sovrapposizione di campi ad intensità modulata), un cui sviluppo recente è la volumetric modulated arc therapy (VMAT, irradiazione continua lungo un arco ininterrotto). La generazione di piani richiede esperienza ed abilità: un dosimetrista seleziona cost functions ed obiettivi ed un TPS ottimizza la disposizione dei segmenti ad intensità modulata. Se il medico giudica il risultato non soddisfacente, il processo riparte da capo (trial-and-error). Una alternativa è la generazione automatica di piani. Erasmus-iCycle, software prodotto presso ErasmusMC (Rotterdam, The Netherlands), è un algoritmo di ottimizzazione multicriteriale di piani radioterapici per ottimizzazione di intensità basato su una wish list. L'output consiste di piani Pareto-ottimali ad intensità modulata. La generazione automatica garantisce maggiore coerenza e qualità più elevata con tempi di lavoro ridotti. Nello studio, una procedura di generazione automatica di piani con modalità VMAT è stata sviluppata e valutata per carcinoma polmonare. Una wish list è stata generata attraverso una procedura iterativa su un gruppo ristretto di pazienti con la collaborazione di fisici medici ed oncologi e poi validata su un gruppo più ampio di pazienti. Nella grande maggioranza dei casi, i piani automatici sono stati giudicati dagli oncologi migliori rispetto ai rispettivi piani IMRT clinici generati manualmente. Solo in pochi casi una rapida calibrazione manuale specifica per il paziente si è resa necessaria per soddisfare tutti i requisiti clinici. Per un sottogruppo di pazienti si è mostrato che la qualità dei piani VMAT automatici era equivalente o superiore rispetto ai piani VMAT generati manualmente da un dosimetrista esperto. Complessivamente, si è dimostrata la possibilità di generare piani radioterapici VMAT ad alta qualità automaticamente, con interazione umana minima. L'introduzione clinica della procedura automatica presso ErasmusMC è iniziata (ottobre 2015).

Adsorption of Components of the Plasma Kinin-forming System on the Surface of Porphyromonas gingivalis Involves Gingipains as the Major Docking Platforms

Enhanced production of proinflammatory bradykinin-related peptides, the kinins, has been suggested to contribute to the pathogenesis of periodontitis, a common inflammatory disease of human gingival tissues. In this report, we describe a plausible mechanism of activation of the kinin-generating system, also known as the contact system or kininogen-kallikrein-kinin system, by the adsorption of its plasma-derived components such as high-molecular-mass kininogen (HK), prekallikrein (PK), and Hageman factor (FXII) to the cell surface of periodontal pathogen Porphyromonas gingivalis. The adsorption characteristics of mutant strains deficient in selected proteins of the cell envelope suggested that the surface-associated cysteine proteinases, gingipains, bearing hemagglutinin/adhesin domains (RgpA and Kgp) serve as the major platforms for HK and FXII adhesion. These interactions were confirmed by direct binding tests using microplate-immobilized gingipains and biotinylated contact factors. Other bacterial cell surface components such as fimbriae and lipopolysaccharide were also found to contribute to the binding of contact factors, particularly PK. Analysis of kinin release in plasma upon contact with P. gingivalis showed that the bacterial surface-dependent mechanism is complementary to the previously described kinin generation system dependent on HK and PK proteolytic activation by the gingipains. We also found that several P. gingivalis clinical isolates differed in the relative significance of these two mechanisms of kinin production. Taken together, these data show the importance of this specific type of bacterial surface-host homeostatic system interaction in periodontal infections.

Automated Intervertebral Disc Detection from Low Resolution, Sparse MRI Images for the Planning of Scan Geometries

Robust and accurate identification of intervertebral discs from low resolution, sparse MRI scans is essential for the automated scan planning of the MRI spine scan. This paper presents a graphical model based solution for the detection of both the positions and orientations of intervertebral discs from low resolution, sparse MRI scans. Compared with the existing graphical model based methods, the proposed method does not need a training process using training data and it also has the capability to automatically determine the number of vertebrae visible in the image. Experiments on 25 low resolution, sparse spine MRI data sets verified its performance.

An overlapping kinase and phosphatase docking site regulates activity of the retinoblastoma protein

The phosphorylation state and corresponding activity of the retinoblastoma tumor suppressor protein (Rb) are modulated by a balance of kinase and phosphatase activities. Here we characterize the association of Rb with the catalytic subunit of protein phosphatase 1 (PP1c). A crystal structure identifies an enzyme docking site in the Rb C-terminal domain that is required for efficient PP1c activity toward Rb. The phosphatase docking site overlaps with the known docking site for cyclin-dependent kinase (Cdk), and PP1 competition with Cdk-cyclins for Rb binding is sufficient to retain Rb activity and block cell-cycle advancement. These results provide the first detailed molecular insights into Rb activation and establish a novel mechanism for Rb regulation in which kinase and phosphatase compete for substrate docking.

Automated detection of fiducial screws from CT/DVT volume data for image-guided ENT surgery

This paper presents an automated solution for precise detection of fiducial screws from three-dimensional (3D) Computerized Tomography (CT)/Digital Volume Tomography (DVT) data for image-guided ENT surgery. Unlike previously published solutions, we regard the detection of the fiducial screws from the CT/DVT volume data as a pose estimation problem. We thus developed a model-based solution. Starting from a user-supplied initialization, our solution detects the fiducial screws by iteratively matching a computer aided design (CAD) model of the fiducial screw to features extracted from the CT/DVT data. We validated our solution on one conventional CT dataset and on five DVT volume datasets, resulting in a total detection of 24 fiducial screws. Our experimental results indicate that the proposed solution achieves much higher reproducibility and precision than the manual detection. Further comparison shows that the proposed solution produces better results on the DVT dataset than on the conventional CT dataset.

Automated cement segmentation in vertebroplasty

Vertebroplasty is a minimally invasive procedure with many benefits; however, the procedure is not without risks and potential complications, of which leakage of the cement out of the vertebral body and into the surrounding tissues is one of the most serious. Cement can leak into the spinal canal, venous system, soft tissues, lungs and intradiscal space, causing serious neurological complications, tissue necrosis or pulmonary embolism. We present a method for automatic segmentation and tracking of bone cement during vertebroplasty procedures, as a first step towards developing a warning system to avoid cement leakage outside the vertebral body. We show that by using active contours based on level sets the shape of the injected cement can be accurately detected. The model has been improved for segmentation as proposed in our previous work by including a term that restricts the level set function to the vertebral body. The method has been applied to a set of real intra-operative X-ray images and the results show that the algorithm can successfully detect different shapes with blurred and not well-defined boundaries, where the classical active contours segmentation is not applicable. The method has been positively evaluated by physicians.