Integrin α6Aβ1 Induces CD81-dependent Cell Motility without Engaging the Extracellular Matrix Migration Substrate

It is well established that integrins and extracellular matrix (ECM) play key roles in cell migration, but the underlying mechanisms are poorly defined. We describe a novel mechanism whereby the integrin α6β1, a laminin receptor, can affect cell motility and induce migration onto ECM substrates with which it is not engaged. By using DNA-mediated gene transfer, we expressed the human integrin subunit α6A in murine embryonic stem (ES) cells. ES cells expressing α6A (ES6A) at the surface dimerized with endogenous β1, extended numerous filopodia and lamellipodia, and were intensely migratory in haptotactic assays on laminin (LN)-1. Transfected α6A was responsible for these effects, because cells transfected with control vector or α6B, a cytoplasmic domain α6 isoform, displayed compact morphology and no migration, like wild-type ES cells. The ES6A migratory phenotype persisted on fibronectin (Fn) and Ln-5. Adhesion inhibition assays indicated that α6β1 did not contribute detectably to adhesion to these substrates in ES cells. However, anti-α6 antibodies completely blocked migration of ES6A cells on Fn or Ln-5. Control experiments with monensin and anti-ECM antibodies indicated that this inhibition could not be explained by deposition of an α6β1 ligand (e.g., Ln-1) by ES cells. Cross-linking with secondary antibody overcame the inhibitory effect of anti-α6 antibodies, restoring migration or filopodia extension on Fn and Ln-5. Thus, to induce migration in ES cells, α6Aβ1 did not have to engage with an ECM ligand but likely participated in molecular interactions sensitive to anti-α6β1 antibody and mimicked by cross-linking. Antibodies to the tetraspanin CD81 inhibited α6Aβ1-induced migration but had no effect on ES cell adhesion. It is known that CD81 is physically associated with α6β1, therefore our results suggest a mechanism by which interactions between α6Aβ1 and CD81 may up-regulate cell motility, affecting migration mediated by other integrins.

Tumor suppression in human skin carcinoma cells by chromosome 15 transfer or thrombospondin-1 overexpression through halted tumor vascularization

The development of skin carcinomas presently is believed to be correlated with mutations in the p53 tumor suppressor and ras gene as well as with the loss of chromosome 9. We now demonstrate that, in addition, loss of chromosome 15 may be a relevant genetic defect. Reintroduction of an extra copy of chromosome 15, but not chromosome 4, into the human skin carcinoma SCL-I cells, lacking one copy of each chromosome, resulted in tumor suppression after s.c. injection in mice. Transfection with thrombospondin-1 (TSP-1), mapped to 15q15, induced the same tumor suppression without affecting cell proliferation in vitro or in vivo. Halted tumors remained as small cysts encapsulated by surrounding stroma and blood vessels. These cysts were characterized by increased TSP-1 matrix deposition at the tumor/stroma border and a complete lack of tumor vascularization. Coinjection of TSP-1 antisense oligonucleotides drastically reduced TSP-1 expression and almost completely abolished matrix deposition at the tumor/stroma border. As a consequence, the tumor phenotype reverted to a well vascularized, progressively expanding, solid carcinoma indistinguishable from that induced by the untransfected SCL-I cells. Thus, these data strongly suggest TSP-1 as a potential tumor suppressor on chromosome 15. The data further propose an unexpected mechanism of TSP-1-mediated tumor suppression. Instead of interfering with angiogenesis in general, in this system TSP-1 acts as a matrix barrier at the tumor/stroma border, which, by halting tumor vascularization, prevents tumor cell invasion and, thus, tumor expansion.

A quantitative method for evaluating the stabilities of nucleic acids

We report a general method for screening, in solution, the impact of deviations from canonical Watson-Crick composition on the thermodynamic stability of nucleic acid duplexes. We demonstrate how fluorescence resonance energy transfer (FRET) can be used to detect directly free energy differences between an initially formed “reference” duplex (usually a Watson-Crick duplex) and a related “test” duplex containing a lesion/alteration of interest (e.g., a mismatch, a modified, a deleted, or a bulged base, etc.). In one application, one titrates into a solution containing a fluorescently labeled, FRET-active, reference duplex, an unlabeled, single-stranded nucleic acid (test strand), which may or may not compete successfully to form a new duplex. When a new duplex forms by strand displacement, it will not exhibit FRET. The resultant titration curve (normalized fluorescence intensity vs. logarithm of test strand concentration) yields a value for the difference in stability (free energy) between the newly formed, test strand-containing duplex and the initial reference duplex. The use of competitive equilibria in this assay allows the measurement of equilibrium association constants that far exceed the magnitudes accessible by conventional titrimetric techniques. Additionally, because of the sensitivity of fluorescence, the method requires several orders of magnitude less material than most other solution methods. We discuss the advantages of this method for detecting and characterizing any modification that alters duplex stability, including, but not limited to, mutagenic lesions. We underscore the wide range of accessible free energy values that can be defined by this method, the applicability of the method in probing for a myriad of nucleic acid variations, such as single nucleotide polymorphisms, and the potential of the method for high throughput screening.

Direct genetic analysis by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry

An approach to analyzing single-nucleotide polymorphisms (SNPs) found in the human genome has been developed that couples a recently developed invasive cleavage assay for nucleic acids with detection by matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). The invasive cleavage assay is a signal amplification method that enables the analysis of SNPs by MALDI-TOF MS directly from human genomic DNA without the need for initial target amplification by PCR. The results presented here show the successful genotyping by this approach of twelve SNPs located randomly throughout the human genome. Conventional Sanger sequencing of these SNP positions confirmed the accuracy of the MALDI-TOF MS analysis results. The ability to unambiguously detect both homozygous and heterozygous genotypes is clearly demonstrated. The elimination of the need for target amplification by PCR, combined with the inherently rapid and accurate nature of detection by MALDI-TOF MS, gives this approach unique and significant advantages in the high-throughput genotyping of large numbers of SNPs, useful for locating, identifying, and characterizing the function of specific genes.

A method for directed evolution and functional cloning of enzymes

A general scheme is described for the in vitro evolution of protein catalysts in a biologically amplifiable system. Substrate is covalently and site specifically attached by a flexible tether to the pIII coat protein of a filamentous phage that also displays the catalyst. Intramolecular conversion of substrate to product provides a basis for selecting active catalysts from a library of mutants, either by release from or attachment to a solid support. This methodology has been developed with the enzyme staphylococcal nuclease as a model. An analysis of factors influencing the selection efficiency is presented, and it is shown that phage displaying staphylococcal nuclease can be enriched 100-fold in a single step from a library-like ensemble of phage displaying noncatalytic proteins. Additionally, this approach should allow one to functionally clone natural enzymes, based on their ability to catalyze specific reactions (e.g., glycosyl transfer, sequence-specific proteolysis or phosphorylation, polymerization, etc.) rather than their sequence- or structural homology to known enzymes.

Maximum likelihood estimation of a migration matrix and effective population sizes in n subpopulations by using a coalescent approach

A maximum likelihood estimator based on the coalescent for unequal migration rates and different subpopulation sizes is developed. The method uses a Markov chain Monte Carlo approach to investigate possible genealogies with branch lengths and with migration events. Properties of the new method are shown by using simulated data from a four-population n-island model and a source–sink population model. Our estimation method as coded in migrate is tested against genetree; both programs deliver a very similar likelihood surface. The algorithm converges to the estimates fairly quickly, even when the Markov chain is started from unfavorable parameters. The method was used to estimate gene flow in the Nile valley by using mtDNA data from three human populations.

Sensitive detection of bacterial transcription initiation sites and differentiation from RNA processing sites in the pheromone-induced plasmid transfer system of Enterococcus faecalis.

A method was developed to detect 5' ends of bacterial RNAs expressed at low levels and to differentiate newly initiated transcripts from processed transcripts produced in vivo. The procedure involves use of RNA ligase to link a specific oligoribonucleotide to the 5' ends of cellular RNAs, followed by production of cDNA and amplification of the gene of interest by PCR. The method was used to identify the precise sites of transcription initiation within a 10-kb region of the pheromone-inducible conjugative plasmid pCF10 of Enterococcus faecalis. Results confirmed the 5' end of a very abundant, constitutively produced transcript (from prgQ) that had been mapped previously by primer extension and defined the initiation point of a less abundant, divergently transcribed message (from prgX). The method also showed that the 5' end of a pheromone-inducible transcript (prgB) that had been mapped by primer extension was generated by processing rather than new initiation. In addition, the results provided evidence for two promoters, 3 and 5 kb upstream of prgB, and indicated that only the transcripts originating 5 kb upstream may be capable of extending to prgB.

Interocular transfer in perceptual learning of a pop-out discrimination task.

The specificity of the improvement in perceptual learning is often used to localize the neuronal changes underlying this type of adult plasticity. We investigated a visual texture discrimination task previously reported to be accomplished preattentively and for which learning-related changes were inferred to occur at a very early level of the visual processing stream. The stimulus was a matrix of lines from which a target popped out, due to an orientation difference between the three target lines and the background lines. The task was to report the global orientation of the target and was performed monocularly. The subjects' performance improved dramatically with training over the course of 2-3 weeks, after which we tested the specificity of the improvement for the eye trained. In all subjects tested, there was complete interocular transfer of the learning effect. The neuronal correlate of this learning are therefore most likely localized in a visual area where input from the two eyes has come together.

DNA sequencing by delayed extraction-matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry.

Matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) time of flight mass spectrometry was used to detect and order DNA fragments generated by Sanger dideoxy cycle sequencing. This was accomplished by improving the sensitivity and resolution of the MALDI method using a delayed ion extraction technique (DE-MALDI). The cycle sequencing chemistry was optimized to produce as much as 100 fmol of each specific dideoxy terminated fragment, generated from extension of a 13-base primer annealed on 40- and 50-base templates. Analysis of the resultant sequencing mixture by DE-MALDI identified the appropriate termination products. The technique provides a new non-gel-based method to sequence DNA which may ultimately have considerable speed advantages over traditional methodologies.

Efficient transfer of genetic material into mammalian cells using Starburst polyamidoamine dendrimers.

Starburst polyamidoamine dendrimers are a new class of synthetic polymers with unique structural and physical characteristics. These polymers were investigated for the ability to bind DNA and enhance DNA transfer and expression in a variety of mammalian cell lines. Twenty different types of polyamidoamine dendrimers were synthesized, and the polymer structure was confirmed using well-defined analytical techniques. The efficiency of plasmid DNA transfection using dendrimers was examined using two reporter gene systems: firefly luciferase and bacterial beta-galactosidase. The transfections were performed using various dendrimers, and levels of expression of the reporter protein were determined. Highly efficient transfection of a broad range of eukaryotic cells and cell lines was achieved with minimal cytotoxicity using the DNA/dendrimer complexes. However, the ability to transfect cells was restricted to certain types of dendrimers and in some situations required the presence of additional compounds, such as DEAE-dextran, that appeared to alter the nature of the complex. A few cell lines demonstrated enhanced transfection with the addition of chloroquine, indicating endosomal localization of the complexes. The capability of a dendrimer to transfect cells appeared to depend on the size, shape, and number of primary amino groups on the surface of the polymer. However, the specific dendrimer most efficient in achieving transfection varied between different types of cells. These studies demonstrate that Starburst dendrimers can transfect a wide variety of cell types in vitro and offer an efficient method for producing permanently transfected cell lines.

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.

Intermolecular and Intramolecular Charge Transfer in Functional Molecular Materials

This thesis is devoted to the investigation of inter and intramolecular charge transfer (CT) in molecular functional materials and specifically organic dyes and CT crystals. An integrated approach encompassing quantum-chemical calculations, semiempirical tools, theoretical models and spectroscopic measurements is applied to understand structure-property relationships governing the low-energy physics of these materials. Four main topics were addressed: 1) Spectral properties of organic dyes. Charge-transfer dyes are constituted by electron donor (D) and electron acceptor (A) units linked through bridge(s) to form molecules with different symmetry and dimensionality. Their low-energy physics is governed by the charge resonance between D and A groups and is effectively described by a family of parametric Hamiltonians known as essential-state models. These models account for few electronic states, corresponding to the main resonance structures of the relevant dye, leading to a simple picture that is completed introducing the coupling of the electronic system to molecular vibrations, treated in a non-adiabatic way, and an effective classical coordinate, describing polar solvation. In this work a specific essential-state model was proposed and parametrized for the dye Brilliant Green. The central issue in this work has been the definition of the diabatic states, a not trivial task for a multi-branched chromophore. In a second effort, we have used essential-state models for the description of the early-stage dynamics of excited states after ultrafast excitation. Crucial to this work is the fully non-adiabatic treatment of the coupled electronic and vibrational motion, allowing for a reliable description of the dynamics of systems showing a multistable, broken-symmetry excited state. 2) Mixed-stack CT salts. Mixed-stack (MS) CT crystals are an interesting class of multifunctional molecular materials, where D and A molecules arrange themselves to form stacks, leading to delocalized electrons in one dimension. The interplay between the intermolecular CT, electrostatic interactions, lattice phonons and molecular vibrations leads to intriguing physical properties that include (photoinduced) phase transitions, multistability, antiferromagnetism, ferroelectricity and potential multiferroicity. The standard microscopic model to describe this family of materials is the Modified Hubbard model accounting for electron-phonon coupling (Peierls coupling), electron-molecular vibrations coupling (Holstein coupling) and electrostatic interactions. We adopt and validate a method, based on DFT calculations on dimeric DA structures, to extract relevant model parameters. The approach offers a powerful tool to shed light on the complex physics of MS-CT salts. 3) Charge transfer in organic radical dipolar dyes. In collaboration with the group of Prof. Jaume Veciana (ICMAB- Barcellona), we have studied spectral properties of a special class of CT dyes with D-bridge-A structure where the acceptor group is a stable radical (of the perchlorotriphenylmethyl, PTM, family), leading to an open-shell CT dyes. These materials are of interest since they associate the electronic and optical properties of CT dyes with magnetic properties from the unpaired electron. The first effort was devoted to the parametrization of the relevant essential-state model. Two strategies were adopted, one based on the calculation of the low-energy spectral properties, the other based on the variation of ground state properties with an applied electric field. 4) The spectral properties of organic nanoparticles based on radical species are investigated in collaboration with Dr. I. Ratera (ICMAB- Barcellona). Intriguing spectroscopic behavior was observed pointing to the presence of excimer states. In an attempt to rationalize these findings, extensive calculations (TD-DFT and ZINDO) were performed. The results for the isolated dyes are validated against experimental spectra in solution. To address intermolecular interactions we studied dimeric structures in the gas phase, but the preliminary results obtained do not support excimer formation.

Método multigrid algébrico: reutilização das estruturas multigrid no transporte de contaminantes

A necessidade de obter solução de grandes sistemas lineares resultantes de processos de discretização de equações diferenciais parciais provenientes da modelagem de diferentes fenômenos físicos conduz à busca de técnicas numéricas escaláveis. Métodos multigrid são classificados como algoritmos escaláveis.Um estimador de erros deve estar associado à solução numérica do problema discreto de modo a propiciar a adequada avaliação da solução obtida pelo processo de aproximação. Nesse contexto, a presente tese caracteriza-se pela proposta de reutilização das estruturas matriciais hierárquicas de operadores de transferência e restrição dos métodos multigrid algébricos para acelerar o tempo de solução dos sistemas lineares associados à equação do transporte de contaminantes em meio poroso saturado. Adicionalmente, caracteriza-se pela implementação das estimativas residuais para os problemas que envolvem dados constantes ou não constantes, os regimes de pequena ou grande advecção e pela proposta de utilização das estimativas residuais associadas ao termo de fonte e à condição inicial para construir procedimentos adaptativos para os dados do problema. O desenvolvimento dos códigos do método de elementos finitos, do estimador residual e dos procedimentos adaptativos foram baseados no projeto FEniCS, utilizando a linguagem de programação PYTHONR e desenvolvidos na plataforma Eclipse. A implementação dos métodos multigrid algébricos com reutilização considera a biblioteca PyAMG. Baseado na reutilização das estruturas hierárquicas, os métodos multigrid com reutilização com parâmetro fixo e automática são propostos, e esses conceitos são estendidos para os métodos iterativos não-estacionários tais como GMRES e BICGSTAB. Os resultados numéricos mostraram que o estimador residual captura o comportamento do erro real da solução numérica, e fornece algoritmos adaptativos para os dados cuja malha retornada produz uma solução numérica similar à uma malha uniforme com mais elementos. Adicionalmente, os métodos com reutilização são mais rápidos que os métodos que não empregam o processo de reutilização de estruturas. Além disso, a eficiência dos métodos com reutilização também pode ser observada na solução do problema auxiliar, o qual é necessário para obtenção das estimativas residuais para o regime de grande advecção. Esses resultados englobam tanto os métodos multigrid algébricos do tipo SA quanto os métodos pré-condicionados por métodos multigrid algébrico SA, e envolvem o transporte de contaminantes em regime de pequena e grande advecção, malhas estruturadas e não estruturadas, problemas bidimensionais, problemas tridimensionais e domínios com diferentes escalas.

Estudo da intensificação da coalescência de emulsões de água em óleo com a aplicação de onda estacionária de ultrassom.

Considerando que o petróleo quando extraído dos poços em águas profundas chega a ter teor de água superior a 50% e que antes de ser enviado à refinaria deve ter uma quantidade de água inferior a 1%, torna-se necessário o uso de técnicas de redução da quantidade de água. Durante a extração do petróleo formam-se emulsões de água em óleo que são muito estáveis devido a um filme interfacial contendo asfaltenos e/ou resinas ao redor das gotas de água. Nesse trabalho é apresentada a utilização de ondas estacionárias de ultrassom para realizar a quebra dessas emulsões. Quando gotículas de água com dimensões da ordem de 10m, muito menores que o comprimento de onda, são submetidas a um campo acústico estacionário em óleo, a força de radiação acústica empurra as gotículas para os nós de pressão da onda. Uma célula de coalescência com frequência central ao redor de 1 MHz, constituída por quatro camadas sendo uma piezelétrica, uma de acoplamento sólido, uma com o líquido e outra refletora, foi modelada empregando o método da matriz de transferência, que permite calcular a impedância elétrica em função da frequência. Para minimizar o efeito do gradiente de temperatura entre a entrada e a saída da cavidade da célula, quando está em operação, foram utilizados dois transdutores piezelétricos posicionados transversalmente ao fluxo que são excitados e controlados independentemente. Foi implementado um controlador digital para ajustar a frequência e a potência de cada transdutor. O controlador tem como entrada o módulo e a fase da corrente elétrica no transdutor e como saída a amplitude da tensão elétrica e a frequência. Para as células desenvolvidas, o algoritmo de controle segue um determinado pico de ressonância no interior da cavidade da célula no intervalo de frequência de 1,09 a 1,15 MHz. A separação acústica de emulsões de água em óleo foi realizada em uma planta de laboratório de processamento de petróleo no CENPES/PETROBRAS. Foram testados a variação da quantidade de desemulsificante, o teor inicial de água na emulsão e a influência da vazão do sistema, com uma potência de 80 W. O teor final de água na emulsão mostrou que a aplicação de ultrassom aumentou a coalescência de água da emulsão, em todas as condições testadas, quando comparada a um teste sem aplicação de ultrassom. Identificou-se o tempo de residência no interior da célula de separação como um fator importante no processo de coalescência de emulsões de água e óleo. O uso de desemulsificante químico é necessário para realizar a separação, porém, em quantidades elevadas implicaria no uso de processos adicionais antes do repasse final do petróleo à refinaria. Os teores iniciais de água na emulsão de 30 e 50% indicam que o uso da onda estacionária na coalescência de emulsões não tem limitação quanto a esse parâmetro. De acordo com os resultados obtidos em laboratório, essa técnica seria indicada como uma alternativa para integrar um sistema de processamento primário em conjunto com um separador eletrostático.

Mechanistic Importance of Redox Potentials and Conformational Flexibility in Electron-Transferring Flavoproteins

The mitochondrial matrix flavoproteins electron transfer flavoprotein (ETF) and electron transfer flavoprotein-ubiquinone oxidoreductase (ETF-QO) are responsible for linking fatty acid β-oxidation with the main mitochondrial respiratory chain. Electrons derived from flavoprotein dehydrogenases are transferred sequentially through ETF and ETF-QO to ubiquinone and then into the respiratory chain via complex III. In this study, the effects of changes in ETF-QO redox potentials on its activity and the conformational flexibility of ETF were investigated. ETF-QO contains one [4Fe-4S]2+,1+ and one flavin adenine dinucleotide (FAD). In the porcine protein, threonine 367 is hydrogen bonded to N1 and O2 of the flavin ring of the FAD. The analogous site in Rhodobacter sphaeroides ETF-QO is asparagine 338. Mutations N338T and N338A were introduced into the R. sphaeroides protein by site-directed mutagenesis to determine the impact of hydrogen bonding at this site on redox potentials and activity. FAD redox potentials were measured by potentiometric titration probed by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. The N338T and N338A mutations lowered the midpoint potentials, which resulted in a decrease in the quinone reductase activity and negligible impact on disproportionation of ETF1e- catalyzed by ETF-QO. These observations indicate that the FAD is involved in electron transfer to ubiquinone, but not in electron transfer from ETF to ETF-QO. Therefore it is proposed that the iron-sulfur cluster is the immediate acceptor from ETF. It has been proposed that the αII domain of ETF is mobile, allowing promiscuous interactions with structurally different partners. Double electron-electron resonance (DEER) was used to measure the distance between spin labels at various sites and an enzymatically reduced FAD cofactor in Paracoccus denitrificans ETF. Two or three interspin distance distributions were observed for spin-labels in the αI (A43C) and βIII (A111C) domains, but only one is observed for a label in the βII (A210C) domain. This suggests that the αII domain adopts several stable conformations which may correspond to a closed/inactive conformation and an open/active conformation. An additional mutation, E162A, was introduced to increase the mobility of the αII domain. The E162A mutation doubled the activity compared to wild-type and caused the distance distributions to become wider. The DEER method has the potential to characterize conformational changes in ETF that occur when it interacts with various redox partners.