Bifidobacterium - Human Host Interaction: Role of Human Plasminogen

Bifidobacterium is an important genus of the human gastrointestinal microbiota, affecting several host physiological features. Despite the numerous Bifidobacterium related health-promoting activities, there is still a dearth of information about the molecular mechanisms at the basis of the interaction between this microorganism and the host. Bacterial surface associated proteins may play an important role in this interaction because of their ability to intervene with host molecules, as recently reported for the host protein plasminogen. Plasminogen is the zymogen of the trypsin-like serine protease plasmin, an enzyme with a broad substrate specificity. Aim of this thesis is to deepen the knowledge about the interaction between Bifidobacterium and the human plasminogen system and its role in the Bifidobacterium-host interaction process. As a bifidobacterial model, B. animalis subsp. lactis BI07 has been used because of its large usage in dairy and pharmaceutical preparations. We started from the molecular characterization of the interaction between plasminogen and one bifidobacterial plasminogen receptor, DnaK, a cell wall protein showing high affinity for plasminogen, and went on with the study of the impact of intestinal environmental factors, such as bile salts and inflammation, on the plasminogen-mediated Bifidobacterium-host interaction. According to our in vitro findings, by enhancing the activation of the bifidobacterial bound plasminogen to plasmin, the host inflammatory response results in the decrease of the bifidobacterial adhesion to the host enterocytes, favouring bacterial migration to the luminal compartment. Conversely, in the absence of inflammation, plasminogen acts as a molecular bridge between host enterocytes and bifidobacteria, enhancing Bifidobacterium adhesion. Furthermore, adaptation to physiological concentrations of bile salts enhances the capability of this microorganism to interact with the host plasminogen system. The host plasminogen system thus represents an important and flexible tool used by bifidobacteria in the cross-talk with the host.

Characterization of novel probiotics and prebiotics

The role of the human gut microbiota in impacting host’s health has been widely studied in the last decade. Notably, it has been recently demonstrated that diet and nutritional status are among the most important modifiable determinants of human health, through a plethora of presumptive mechanisms among which microbiota-mediated processes are thought to have a relevant role. At present, probiotics and prebiotics represent a useful dietary approach for influencing the composition and activity of the human gut microbial community. The present study is composed of two main sections, aimed at elucidating the probiotic potential of the yeast strain K. marxianus B0399, as well as the promising putative prebiotic activity ascribable to four different flours, naturally enriched in dietary fibres content. Here, by in vitro studies we demonstrated that K. marxianus B0399 possesses a number of beneficial and strain-specific properties desirable for a microorganism considered for application as a probiotics. Successively, we investigated the impact of a novel probiotic yoghurt containing B. animalis subsp. lactis Bb12 and K. marxianus B0399 on the gut microbiota of a cohort of subjects suffering from IBS and enrolled in a in vivo clinical study. We demonstrated that beneficial effects described for the probiotic yoghurt were not associated to significant modifications of the human intestinal microbiota. Additionally, using a colonic model system we investigated the impact of different flours (wholegrain rye and wheat, chickpeas and lentils 50:50, and barley milled grains) on the intestinal microbiota composition and metabolomic output, combining molecular and cellular analysis with a NMR metabolomics approach. We demonstrated that each tested flour showed peculiar and positive modulations of the intestinal microbiota composition and its small molecule metabolome, thus supporting the utilisation of these ingredients in the development of a variety of potentially prebiotic food products aimed at improving human health.

Pretrattamenti termo-meccanici ed enzimatici su scarti dell'industria enologica per la produzione di Biogas

A fundamental assumption for by-product from winery industy waste-management is their economic and commercial increase in value. High energetic value recovery from winery industry is an attractive economic solution to stimulate new sustainable process. Approach of this work is based about physic and biological treatment with grape stalks and grape marc to increase polysaccharides components of cell wall and energetic availability of this by-products. Grape stalks for example have a high percentage of lignin and cellulose and can’t be used, whitout pretreatment, for an anaerobic digestion process. Our findings show enzymatic and thermo-mechanical pre-treatments in combined application for optimise hydrolytic mechanism on winemaking wastes which represents 0,9 milion ton/year in Italy and on straw, cereal by-products with high lignin content. A screening of specifically industrial enzymatic complex for the hydrolysis lignocellulosic biomass were tested using the principal polysaccharides component of the vegetal cells. Combined thermo-mechanical and enzymatic pretreatment improve substrates conversion in batch test fermentation experiment. The conservation of the grape stalks, at temperature above 0°C, allow the growth of spontaneus fermentation that reduce their polysaccharides content so had investigated anarobic condition of conservation. The other objective of this study was to investigate the capability of a proprietary strain of L.buchneri LN 40177 to enhance the accessibility of fermentable forage constituents during the anaerobic conservation process by releasing the enzyme ferulate esterase. The time sequence study by batch tests showed that the L. buchneri LN-40177 inoculated grape stalk substrate was more readily available in the fermenter. In batch tests with grape stalk, after mechanical treatment, the L. buchneri LN41077 treated substrate yielded on average 70% more biogas per kg/DM. Thermo-mechanical, enzymatic and biological treatment with L. buchneri LN-40177 can increase the biogas production from low fermented biomasses and the consequent their useful in anaerobic biodigesters for agro-bioenergy production.

Fermentative processes for environmental remediation

The growing interest in environmental protection has led to the development of emerging biotechnologies for environmental remediation also introducing the biorefinery concept. This work mainly aimed to evaluate the applicability of innovative biotechnologies for environmental remediation and bioenergy production, throught fermentative processes. The investigated biotechnologies for waste and wastewater treatment and for the valorisation of specific feedstocks and energy recovery, were mainly focused on four research lines. 1. Biotechnology for textile wastewater treatment and water reuse that involving anaerobic and aerobic processes in combination with membrane technologies. Combinations of different treatments were also implemented for water reuse in a textile company. 2. Biotechnology for the treatment of solid waste and leachate in landfill and for biogas production. Landfill operated as Bioreactor with recirculation of the generated leachate was proposed for organic matter biostabilisation and for ammonia removal from leachate by favouring the Anammox process. 3. An innovative two-stage anaerobic process for effective codigestion of waste from the dairy industry, as cheese whey and dairy manure, was studied by combining conventional fermentative processes with a simplified system design for enhancing biomethanisation. 4) The valorisation of the glycerol waste as surplus by-product of the biodiesel industry was investigated via microbial conversion to value-added chemicals, as 1,3-propanediol. The investigated fermentative processes have been successfully implemented and reached high yields of the produced bio-chemical. The studied biotechnological systems proved to be feasible for environmental remediation and bioenergy and chemicals production.

Produzione di bioetanolo da effluenti del settore lattiero-caseario con Kluyveromyces marxianus

Il siero di latte e la scotta sono effluenti provenienti rispettivamente dal processo di trasformazione del latte in formaggio e ricotta. Il siero di latte contiene minerali, lipidi, lattosio e proteine; la scotta contiene principalmente lattosio. Il siero può essere riutilizzato in diversi modi, come l'estrazione di proteine o per l’alimentazione animale, mentre la scotta è considerata solamente un rifiuto. Inoltre, a causa degli ingenti volumi di siero prodotti nel mondo, vengono a crearsi seri problemi ambientali e di smaltimento. Destinazioni alternative di questi effluenti, come le trasformazioni biotecnologiche, possono essere un modo per raggiungere il duplice obiettivo di migliorare il valore aggiunto dei processi agroindustriali e di ridurre il loro impatto ambientale. In questo lavoro sono state studiate le condizioni migliori per produrre bioetanolo dal lattosio del siero e della scotta. Kluyveromyces marxianus è stato scelto come lievito lattosio-fermentante. Sono state effettuate fermentazioni su scala di laboratorio aerobiche e anaerobiche in batch, fermentazioni semicontinue in fase dispersa e con cellule immobilizzate in alginato di calcio,. Diverse temperature sono state testate per migliorare la produzione di etanolo. Le migliori prestazioni, per entrambe le matrici, sono state raggiunte a basse temperature (28°C). Anche le alte temperature sono compatibili con buone rese di etanolo nelle fermentazioni con siero. Ottimi risultati si sono ottenuti anche con la scotta a 37°C e a 28°C. Le fermentazioni semicontinue in fase dispersa danno le migliori produzioni di etanolo, in particolare con la scotta. Invece, l'uso di cellule di lievito intrappolate in alginato di calcio non ha migliorato i risultati di processo. In conclusione, entrambi gli effluenti possono essere considerati adatti per la produzione di etanolo. Le buone rese ottenute dalla scotta permettono di trasformare questo rifiuto in una risorsa.

Vanillin production from ferulic acid with Pseudomonas fluorescens BF13-1p4

Bioconversion of ferulic acid to vanillin represents an attractive opportunity for replacing synthetic vanillin with a bio-based product, that can be label “natural”, according to current food regulations. Ferulic acid is an abundant phenolic compound in cereals processing by-products, such as wheat bran, where it is linked to the cell wall constituents. In this work, the possibility of producing vanillin from ferulic acid released enzymatically from wheat bran was investigated by using resting cells of Pseudomonas fluorescens strain BF13-1p4 carrying an insertional inactivation of vdh gene and ech and fcs BF13 genes on a low copy number plasmid. Process parameters were optimized both for the biomass production phase and the bioconversion phase using food-grade ferulic acid as substrate and the approach of changing one variable while fixing the others at a certain level followed by the response surface methodology (RSM). Under optimized conditions, vanillin up to 8.46 mM (1.4 g/L) was achieved, whereas highest productivity was 0.53 mmoles vanillin L-1 h-1). Cocktails of a number of commercial enzyme (amylases, xylanases, proteases, feruloyl esterases) combined with bran pre-treatment with steam explosion and instant controlled pressure drop technology were then tested for the release of ferulic acid from wheat bran. The highest ferulic acid release was limited to 15-20 % of the ferulic acid occurring in bran, depending on the treatment conditions. Ferulic acid 1 mM in enzymatic hydrolyzates could be bioconverted into vanillin with molar yield (55.1%) and selectivity (68%) comparable to those obtained with food-grade ferulic acid after purification from reducing sugars with a non polar adsorption resin. Further improvement of ferulic acid recovery from wheat bran is however required to make more attractive the production of natural vanillin from this by-product.

Analisi della distribuzione di metalli pesanti tramite estrazioni sequenziali su sedimenti portuali: il caso della Pialassa Piomboni

Tramite il presente lavoro di tesi si intende effettuare un’analisi specifica su sedimenti provenienti dalla Pialassa Piomboni, una Zona Umida di Interesse Comunitario dal delicato equilibrio ed in continua evoluzione, che fin dalla sua nascita ha sempre assunto un ruolo di importanza sia ecologico-naturale che socio-economica, vista la posizione che la pone a metà tra il Canale Candiano, il Porto di Ravenna, la zona industriale e il mare Adriatico. Oltre ad arricchire il database di dati, l’obiettivo principale dello studio è ottenere una nuova informazione per la valutazione dello stato di qualità dei sedimenti con un’indagine ancora più specifica: si analizza la distribuzione che i metalli pesanti assumono in relazione alle diverse frazioni e caratteristiche del materiale presente tramite estrazioni sequenziali, effettuate secondo la procedura ufficiale per l’analisi di questi tipi di suoli, recentemente approvata e standardizzata a livello europeo dalla BCR (European Community Bureau of Reference) e migliorata da esperimenti interlaboratorio (Rauret et al., 1999). Attraverso attacchi con reagenti sempre più forti, si valuta a quale frazione del sedimento (scambiabile, riducibile o ossidabile) i metalli risultino maggiormente associati, valutandone mobilità e disponibilità in relazione a cambiamenti di condizioni fisiche e chimiche in cui si trova il materiale, come il variare di pH e degli equilibri ossido-riduttivi. E’ stato inoltre elaborato un inquadramento dal punto di vista geochimico, considerando i livelli di concentrazione di fondo degli elementi già naturalmente presenti in zona. Le concentrazioni totali sono infine stati confrontati con il Manuale ICRAM (2007), che fornisce linee guida per la valutazione della qualità dei sedimenti e la loro movimentazione, per poterne ipotizzare l’eventuale destino, scelta spesso problematica nella gestione di sedimenti in ambito portuale. In sintesi, questo lavoro si inserisce all’interno di un ampio progetto di gestione, approfondendo la letteratura scientifica presente sui criteri di analisi di qualità dei sedimenti e sulle problematiche di diffusione, trasporto e destino finale dei contaminanti nell’ambiente, verificando l’applicazione della procedura analitica di estrazione sequenziale, metodologicamente complessa e soggetta a migliorie e modifiche, riconsiderata in tempi recenti per la sua efficacia e per i vantaggi che comporta grazie all’acquisizione di dati ad alto contenuto di informazione.

Modellazione avanzata di un incendio in uno stabilimento industriale secondo i principi della fire safety engineering

Lo sviluppo di un incendio all’interno di depositi di liquidi infiammabili costituisce uno scenario particolarmente critico a causa della rilevanza delle conseguenze che ne possono scaturire. L’incendio causato dalla formazione di grandi pozze sviluppatesi a seguito di forature dei contenitori e il rapido coinvolgimento di tutto lo stoccaggio rappresentano uno scenario di incendio tipico di queste realtà. Si ha quindi la necessità di adottare provvedimenti atti a garantire specifici obiettivi di sicurezza tramite l’introduzione di misure antincendio. La prevenzione incendi, sino al 2007, era basata esclusivamente su norme di tipo prescrittivo, in base alle quali si definivano le misure di sicurezza secondo un criterio qualitativo. Successivamente l’ingegneria antincendio si è sempre più caratterizzata da approcci basati su analisi di tipo prestazionale, in grado di dimostrare il raggiungimento dell’obiettivo di sicurezza sulla base del comportamento reale d’incendio ottenuto mediante un’accurata simulazione del fuoco che ragionevolmente può prodursi nell'attività. La modellazione degli incendi è divenuta possibile grazie allo sviluppo di codici di fluidodinamica computazionale (CFD), in grado di descrivere accuratamente l’evoluzione delle fiamme. Il presente studio si inserisce proprio nell’ambito della modellazione CFD degli incendi, eseguita mediante il software Fire Dynamics Simulator (FDS). L’obiettivo dell’elaborato è studiare l’azione dell’impianto di spegnimento a schiuma sullo sviluppo di un incendio di pozza in un deposito di liquidi infiammabili, in termini di riduzione della potenza termica rilasciata dal fuoco, al fine di determinare le temperature massime raggiunte, in corrispondenza delle quali valutare il comportamento di resistenza strutturale degli edifici. Il presente lavoro è articolato in 6 capitoli. Dopo il Capitolo 1, avente carattere introduttivo, vengono richiamati nel Capitolo 2 i principali concetti della chimica e fisica degli incendi. Nel Capitolo 3 vengono esaminate le normative intese ad unificare l’approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio. Il Capitolo 4 fornisce una dettagliata descrizione del software di calcolo, FDS - Fire Dynamics Simulator, adoperato per la modellazione dell’incendio. Nel Capitolo 5 si procede alla progettazione prestazionale che conduce alla determinazione della curva naturale d'incendio in presenza degli impianti di spegnimento automatici. Infine nel Capitolo 6 si riportano le considerazioni conclusive.

Applicazione di un protocollo di screening differenziale nel sistema Vitis vinifera per l’identificazione di peptidi con attività antimicrobica

Le piante e gli animali presentano elementi comuni nel loro sistema di difesa contro gli agenti patogeni, come la sintesi diretta di enzimi idrolitici (chitinasi, glucanasi, proteinasi e ossidasi) e di peptidi antimicrobici (AMPs). Gli AMPs sono peptidi ampiamente espressi negli organismi animali (vertebrati e invertebrati) e nelle piante. Possono essere espressi costitutivamente o rapidamente indotti inseguito ad uno stimolo biotico, a differenti livelli cellulari, per interagire direttamente con l’agente infettante e/o per modulare la risposta immunitaria contro i patogeni. Tali peptidi sono oggi classificati in relazione alle loro caratteristiche biochimiche (carica netta) e/ o alle loro caratteristiche strutturali (composizione amminoacidica, struttura lineare o circolare). In base a queste caratteristiche le molecole possono essere distinte nei seguenti gruppi: 1) peptidi lineari ad alfa elica; 2) peptidi ciclici con β-sheets e due o più ponti disolfuro; 3) peptidi con alfa elica e β-sheets stabilizzati da ponti disolfuro; 4) peptidi con hairpin o loop stabilizzati da ponti disolfuro; 5) peptidi lineari con residui aminoacidici ripetuti, come prolina, glicina, triptofano o istidina; 6) piccoli peptidi con struttura avvolta o con una struttura secondaria non definita. Nonostante la loro diversità strutturale, i peptidi antimicrobici presentano la caratteristica comune di inibire la crescita di un largo spettro di microbi, quali Gram-positivi, Gram-negativi, funghi e in alcuni casi anche virus, tanto da far coniare il termine di “antibiotici naturali”. Negli ultimi anni è notevolmente incrementato l’interesse verso tali peptidi dal momento che dati scientifici hanno mostrato che questi non inducono lo sviluppo di meccanismi di resistenza nei microrganismi patogeni. Gli AMPs quindi potrebbero costituire una valida alternativa non solo in ambito sanitario, per la sostituzione di antibiotici di sintesi chimica e di origine microbiologica, ma potrebbero avere un importante utilizzo in campo industriale e nello sviluppo di nuovi sistemi di conservazione degli alimenti al fine di incrementare la loro “shelf-life”.

Caratterizzazione fisico-chimica di una sorgente di plasma freddo per trattamento di packaging alimentare

I plasmi freddi a pressione atmosferica (CAP) generati da scariche a barriera dielettrica (DBD) sono oggetto di studio e sviluppo per una gamma sempre più ampia di applicazioni in ambito biomedico e industriale come la sanificazione di alimenti e di packaging termosensibili. La sorgente sviluppata in questo progetto di tesi viene definita PASS, Plasma Assisted Sanification System essa è composto da una sorgente di plasma sDBD (surface dielectric barrier discharge), una camera di trattamento, un sistema di raffreddamento e un generatore di alta tensione. Questo progetto si concentra sulla caratterizzazione fisico-chimica di una sorgente di plasma sDBD sviluppata dal gruppo di ricerca in Applicazioni Industriali dei Plasmi (AIP - DIN - Alma Mater Studiorum). In primo luogo è stata svolta una caratterizzazione elettrica della sorgente variando la potenza agendo direttamente sul duty cycle da 100% a 10% tramite due metodi: un metodo convenzionale e con il metodo di Lissajous inserendo una capacità monitor C0 pari a 90,95 nF . Successivamente è stata studiata la cinetica delle concentrazioni di O3 e NO2 in fase gas mediante misure OAS. È stata inoltre monitorata la temperatura all’interno della camera di trattamento per verificare l’ipotesi di assenza di effetti termici durante il trattamento. Un’altra importante applicazione della sorgente di plasma utilizzata in questo è la produzione di acqua attivata al plasma (Plasma Activated Water, PAW). Le specie reattive dell’ossigeno (Reactive Oxygen Species, ROS) e dell’azoto (Reactive Nitrogen Species, RNS), vengono assorbite dal liquido dando origine a ulteriori reazioni chimiche come NO3-, NO2-, H2O2. I RONS influenzano e controllano molti processi nelle piante e sono responsabili del miglioramento della crescita delle piante. Per ogni campione di acqua attivata (PAW) sono stati misurati pH, conducibilità confrontati con la soluzione non trattata e concentrazione di specie reattive quali: H2O2, NO2- e NO3- .

Desafios para um novo pacto sanitário: biotecnologia e risco

Este artigo discute a incorporação e o uso da biotecnologia na Saúde Pública, no contexto da sociedade de risco. Tendo por referência autores da teoria social contemporânea, analisam-se as implicações das práticas biotecnológicas. O artigo está dividido em três partes. Na primeira, são apresentados alguns exemplos de manipulação biológica desenvolvidos no âmbito da saúde e as consequências da utilização dessas técnicas na dinâmica ecológica das populações envolvidas. A partir desses exemplos, discute-se o que vem a ser esses seres biologicamente modificados, híbridos, e como ocorre sua incorporação nas práticas sociais, especialmente as de Saúde Pública. A segunda parte apresenta o referencial teórico utilizado para análise, que situa a sociedade contemporânea na etapa reflexiva da modernização e que tem na sociedade de risco uma de suas configurações. A última parte do artigo problematiza os usos da biotecnologia em saúde, mais especificamente em Saúde Pública, abordando os aspectos de risco dessa aplicação, propondo o necessário debate sobre um outro pacto sanitário.

Cooperação tecnológica em empresas mineiras de biotecnologia

Esse artigo analisa o processo de formação e desenvolvimento dos relacionamentos interorganizacionais cooperativos, que visam a pesquisa e o desenvolvimento de produtos em empresas de base biotecnológica. Partindo do referencial teórico sobre alianças estratégicas e do contexto da biotecnologia, são analisadas as atividades de cooperação de duas empresas mineiras. Os resultados obtidos evidenciam que a incapacidade de realização de determinadas atividades é o principal motivo que leva as empresas a buscarem uma aliança com outras organizações. O contrato e a confiança desenvolvidos entre os parceiros são apontados como os principais mecanismos de controle existentes nas relações. No caso das empresas analisadas, os problemas surgidos no decorrer das interações têm sido resolvidos por negociação e diálogo, em detrimento das medidas legais. Dada a importância do desenvolvimento tecnológico para as empresas em questão, a cooperação tem sido apontada como um diferencial estratégico dessas organizações.

A Biotecnologia na Conservação do Património Cultural

Revista Lusófona de Arquitectura e Educação

Biotecnologia vegetal: produção de microalgas

[…]. O potencial biotecnológico das microalgas tem vindo a despertar elevado interesse devido à identificação das diversas substâncias sintetizadas por estes organismos e ao facto do seu cultivo apresentar vantagens relativamente a outros vegetais, nomeadamente: (i) têm um ciclo de vida muito rápido, o que resulta numa produtividade muito elevada por unidade de área; (ii) a sua natureza, maioritariamente unicelular, assegura uma biomassa com composição bioquímica semelhante; e iii) são responsáveis por um sequestro de CO2mais eficaz que o das plantas superiores. Compostos extraídos de microalgas com potencial comercial incluem ácidos gordos polinsaturados, carotenóides, polissacáridos, vitaminas, esteróis, antioxidantes, outros. […].