New Synthetic Polyamines as Multi-Target-Directed Ligands for the Treatment of Alzheimer's Disease and Cancer: Design, Synthesis and Biological Evaluation

Alzheimer's disease (AD) and cancer represent two of the main causes of death worldwide. They are complex multifactorial diseases and several biochemical targets have been recognized to play a fundamental role in their development. Basing on their complex nature, a promising therapeutical approach could be represented by the so-called "Multi-Target-Directed Ligand" approach. This new strategy is based on the assumption that a single molecule could hit several targets responsible for the onset and/or progression of the pathology. In particular in AD, most currently prescribed drugs aim to increase the level of acetylcholine in the brain by inhibiting the enzyme acetylcholinesterase (AChE). However, clinical experience shows that AChE inhibition is a palliative treatment, and the simple modulation of a single target does not address AD aetiology. Research into newer and more potent anti-AD agents is thus focused on compounds whose properties go beyond AChE inhibition (such as inhibition of the enzyme β-secretase and inhibition of the aggregation of beta-amyloid). Therefore, the MTDL strategy seems a more appropriate approach for addressing the complexity of AD and may provide new drugs for tackling its multifactorial nature. In this thesis, it is described the design of new MTDLs able to tackle the multifactorial nature of AD. Such new MTDLs designed are less flexible analogues of Caproctamine, one of the first MTDL owing biological properties useful for the AD treatment. These new compounds are able to inhibit the enzymes AChE, beta-secretase and to inhibit both AChE-induced and self-induced beta-amyloid aggregation. In particular, the most potent compound of the series is able to inhibit AChE in subnanomolar range, to inhibit β-secretase in micromolar concentration and to inhibit both AChE-induced and self-induced beta-amyloid aggregation in micromolar concentration. Cancer, as AD, is a very complex pathology and many different therapeutical approaches are currently use for the treatment of such pathology. However, due to its multifactorial nature the MTDL approach could be, in principle, apply also to this pathology. Aim of this thesis has been the development of new molecules owing different structural motifs able to simultaneously interact with some of the multitude of targets responsible for the pathology. The designed compounds displayed cytotoxic activity in different cancer cell lines. In particular, the most potent compounds of the series have been further evaluated and they were able to bind DNA resulting 100-fold more potent than the reference compound Mitonafide. Furthermore, these compounds were able to trigger apoptosis through caspases activation and to inhibit PIN1 (preliminary result). This last protein is a very promising target because it is overexpressed in many human cancers, it functions as critical catalyst for multiple oncogenic pathways and in several cancer cell lines depletion of PIN1 determines arrest of mitosis followed by apoptosis induction. In conclusion, this study may represent a promising starting pint for the development of new MTDLs hopefully useful for cancer and AD treatment.

Analisi di dati telerilevati ottici e radar per la gestione dei disastri: le alluvioni nel Bangladesh.

Abstract L’utilizzo dei dati satellitari per la gestione dei disastri naturali è fondamentale nei paesi in via di sviluppo, dove raramente esiste un censimento ed è difficile per i governi aggiornare le proprie banche dati con le tecniche di rilevamento e metodi di mappatura tradizionali che sono entrambe lunghe e onerose. A supporto dell’importanza dell’impiego del telerilevamento e per favorirne l’uso nel caso di catastrofi, vi è l’operato di diverse organizzazioni internazionali promosse da enti di ricerca, da agenzie governative o da organismi sopranazionali, le quali svolgono un lavoro di cruciale valore, fornendo sostegno tecnico a chi si occupa di far giungere alle popolazioni colpite gli aiuti umanitari e i soccorsi nel più breve tempo possibile. L’attività di tesi è nata proprio dalla collaborazione con una di esse, ITHACA (Information Technology for Humanitarian Assistance, Cooperation and Action), organizzazione no-profit, fondata dal Politecnico di Torino e SiTI (Istituto Superiore sui Sistemi Territoriali per l’Innovazione), la quale a sua volta collabora con il WFP (World Food Programme) delle Nazioni Unite, realizzando cartografie speditive necessarie per la valutazione delle conseguenze di un evento catastrofico, attraverso l’impiego di dati acquisiti da satellite. Su questo tema si è inserito il presente lavoro che ha come obiettivo quello di dimostrare la valenza dei dati telerilevati, siano essi di tipo ottico o Radar, nel caso di alcuni dei disastri naturali più catastrofici, le alluvioni. In particolare è stata studiata la vulnerabilità del Bangladesh, il quale annualmente si trova ad affrontare eventi alluvionali, spesso di grave intensità. Preliminarmente allo studio, è stata condotta una ricerca bibliografica al fine di avere una buona conoscenza dell’area sia in termini geografici e fisici che di sviluppo e tipologia di urbanizzazione. E’stata indagata in particolare l’alluvione che ha colpito il paese nel Luglio del 2004, attraverso delle immagini satellitari multispettrali, in particolare Landsat 7, per un inquadramento pre-evento, ed ASTER per studiare la situazione a distanza di tre mesi dall’accaduto (immagine rilevata il 20 Ottobre 2004). Su tali immagini sono state condotte delle classificazioni supervisionate con il metodo della massima verosimiglianza che hanno portato la suddivisione del territorio in quattro classi di destinazione d’uso del suolo: urbano (Build-up), campi e vegetazione (Crops&Vegetation), sabbia e scavi (Sand&Excavation), idrografia e zone alluvionate (Water). Dalla sperimentazione è emerso come tali immagini multispettrali si prestino molto bene per l’analisi delle differenti caratteristiche del territorio, difatti la validazione condotta sulla mappa tematica derivata dall’immagine Landsat 7 ha portato ad un’accuratezza del 93% circa, mentre la validazione dell’immagine ASTER è stata solo di tipo qualitativo, in quanto, considerata l’entità della situazione rilevata, non è stato possibile avere un confronto con dei punti da assumere come verità a terra. Un’interpretazione della mappa tematica derivante dalla classificazione dell’immagine ASTER è stata elaborata incrociandola in ambiente GIS con dati forniti dal CEGIS (Center for Environmental and Geographic Information Services) riguardanti il landuse della zona in esame; da ciò è emerso che le zone destinate alla coltivazione del riso sono più vulnerabili alle inondazioni ed in particolare nell’Ottobre 2004 il 95% delle aree esondate ha interessato tali colture. Le immagini ottiche presentano un grosso limite nel caso delle alluvioni: la rilevante copertura nuvolosa che spesso accompagna siffatti eventi impedisce ai sensori satellitari operanti nel campo dell’ottico di rilevare il territorio, e per questo di frequente essi non si prestano ad essere impiegati per un’indagine nella fase di prima emergenza. In questa circostanza, un valido aiuto giunge dall’impiego di immagini Radar, le quali permettono osservazioni ad ogni ora del giorno e della notte, anche in presenza di nuvole, rendendole di fondamentale importanza nelle situazioni descritte. Per dimostrare la validità di questi sensori si sono analizzati due subset derivanti da un mosaico di immagini della nuova costellazione italiana ad alta risoluzione CosmoSkymed: il primo va dalla città di Dhaka al Golfo del Bengala ed il secondo copre la zona più a Nord nel distretto di Sylhet. Dalla sperimentazione condotta su tali immagini radar, che ha comportato come ovvio problematiche del tutto differenti rispetto alle elaborazioni tradizionalmente condotte su immagini nel campo dell’ottico, si è potuto verificare come l’estrazione dei corpi d’acqua e più in generale dell’idrografia risulti valida e di veloce computazione. Sono emersi tuttavia dei problemi, per esempio per quanto riguarda la classificazione dell’acqua in presenza di rilievi montuosi; tali complicazioni sono dovute alla presenza di zone d’ombra che risultano erroneamente assegnate alla classe water, ma è stato possibile correggere tali errori di attribuzione mascherando i rilievi con l’ausilio di una mappa delle pendenze ricavata da modelli di elevazione SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission). La validazione dei risultati della classificazione, condotta con un grande numero di check points, ha fornito risultati molto incoraggianti (ca. 90%). Nonostante le problematiche riscontrate, il Radar, in sé o in accoppiamento con altri dati di diversa origine, si presta dunque a fornire in breve tempo informazioni sull’estensione dell’esondazione, sul grado di devastazione, sulle caratteristiche delle aree esondate, sulle vie di fuga più adatte, diventando un’importante risorsa per chi si occupa di gestire l’emergenza in caso di eventi calamitosi. L’integrazione con i dati di tipo ottico è inoltre essenziale per pervenire ad una migliore caratterizzazione del fenomeno, sia in termini di change detection che di monitoraggio post-evento.

The use of Ground Penetrating Radar and alternative geophysical techniques for assessing embankments and dykes safety

The research is part of a survey for the detection of the hydraulic and geotechnical conditions of river embankments funded by the Reno River Basin Regional Technical Service of the Region Emilia-Romagna. The hydraulic safety of the Reno River, one of the main rivers in North-Eastern Italy, is indeed of primary importance to the Emilia-Romagna regional administration. The large longitudinal extent of the banks (several hundreds of kilometres) has placed great interest in non-destructive geophysical methods, which, compared to other methods such as drilling, allow for the faster and often less expensive acquisition of high-resolution data. The present work aims to experience the Ground Penetrating Radar (GPR) for the detection of local non-homogeneities (mainly stratigraphic contacts, cavities and conduits) inside the Reno River and its tributaries embankments, taking into account supplementary data collected with traditional destructive tests (boreholes, cone penetration tests etc.). A comparison with non-destructive methodologies likewise electric resistivity tomography (ERT), Multi-channels Analysis of Surface Waves (MASW), FDEM induction, was also carried out in order to verify the usability of GPR and to provide integration of various geophysical methods in the process of regular maintenance and check of the embankments condition. The first part of this thesis is dedicated to the explanation of the state of art concerning the geographic, geomorphologic and geotechnical characteristics of Reno River and its tributaries embankments, as well as the description of some geophysical applications provided on embankments belonging to European and North-American Rivers, which were used as bibliographic basis for this thesis realisation. The second part is an overview of the geophysical methods that were employed for this research, (with a particular attention to the GPR), reporting also their theoretical basis and a deepening of some techniques of the geophysical data analysis and representation, when applied to river embankments. The successive chapters, following the main scope of this research that is to highlight advantages and drawbacks in the use of Ground Penetrating Radar applied to Reno River and its tributaries embankments, show the results obtained analyzing different cases that could yield the formation of weakness zones, which successively lead to the embankment failure. As advantages, a considerable velocity of acquisition and a spatial resolution of the obtained data, incomparable with respect to other methodologies, were recorded. With regard to the drawbacks, some factors, related to the attenuation losses of wave propagation, due to different content in clay, silt, and sand, as well as surface effects have significantly limited the correlation between GPR profiles and geotechnical information and therefore compromised the embankment safety assessment. Recapitulating, the Ground Penetrating Radar could represent a suitable tool for checking up river dike conditions, but its use has significantly limited by geometric and geotechnical characteristics of the Reno River and its tributaries levees. As a matter of facts, only the shallower part of the embankment was investigate, achieving also information just related to changes in electrical properties, without any numerical measurement. Furthermore, GPR application is ineffective for a preliminary assessment of embankment safety conditions, while for detailed campaigns at shallow depth, which aims to achieve immediate results with optimal precision, its usage is totally recommended. The cases where multidisciplinary approach was tested, reveal an optimal interconnection of the various geophysical methodologies employed, producing qualitative results concerning the preliminary phase (FDEM), assuring quantitative and high confidential description of the subsoil (ERT) and finally, providing fast and highly detailed analysis (GPR). Trying to furnish some recommendations for future researches, the simultaneous exploitation of many geophysical devices to assess safety conditions of river embankments is absolutely suggested, especially to face reliable flood event, when the entire extension of the embankments themselves must be investigated.

Diagnosi non distruttiva del patrimonio architettonico: esempi applicativi di radar e termografia attiva

La necessità di conservazione e recupero di murature, di qualsiasi interesse storico/architettonico, ha evidenziato la necessità di conoscere il più dettagliatamente possibile le caratteristiche strutturali delle opere interessate: un intervento risulterà tanto più efficace e adatto agli scopi prefissi quanto maggiore sarà la conoscenza dell’opera, della sua evoluzione, dei materiali utilizzati per la realizzazione, della tecnica costruttiva e della struttura portante. Spesso è necessario eseguire interventi di adeguamento sismico di comuni edifici su cui poter intervenire più o meno indiscriminatamente, mentre, per opere di interesse storico è necessario ridurre al minimo l’invasività degli interventi: in tutti e due i casi, una buona riuscita dell’intervento dipende dalla conoscenza dell’organismo strutturale sul quale si deve operare. Come spesso accade, anche per opere di recente costruzione, risulta difficile poter recuperare i dati progettuali (disegni e calcoli) e spesso le tecniche e le tipologie utilizzate per le costruzioni si differenziavano da zona a zona, così come diversi erano i materiali da costruzione; risulta quindi evidente che per progettare una serie di interventi di recupero è necessario poter ottenere il maggior numero di informazioni al riguardo. Diverse sono le esperienze maturate in questo campo in tutta Europa e queste hanno mostrato come non è sufficiente intervenire con tecniche innovative per adeguare agli standard attuali di sicurezza opere del passato: infatti, in molti casi, l’applicazione sbagliata di queste tecniche o gli interventi progettati in modo non adeguato non hanno svolto il loro compito e in alcuni casi hanno peggiorato la situazione esistente. Dalle esperienze maturate è stato possibile osservare che anche le migliore tecniche di recupero non possono risultare efficaci senza un’adeguata conoscenza dello stato di degrado degli edifici, del loro assetto strutturale e delle possibili carenze. La diagnostica strutturale si vuole inserire proprio in questo livello potendo fornire ad un progettista tutte le informazioni necessarie per effettuare al meglio ed in maniera efficace gli interventi di recupero e restauro necessari. Oltre questi aspetti, le analisi diagnostiche possono essere utilizzate anche per verificare l’efficacia degli interventi effettuati. Diversi sono gli aspetti che si possono analizzare in un’indagine di diagnostica ed in base alle esigenze e alle necessità del rilievo da effettuare sono varie le tecniche a disposizione, ognuna con le sue peculiarità e potenzialità. Nella realizzazione di questa tesi sono state affrontate diverse problematiche che hanno previsto sia l’analisi di situazioni reali in cantiere, sia lo studio in laboratorio. La prima parte del presente elaborato prevede lo studio delle attività svolte a Palazzo Malvezzi, attuale sede della Provincia di Bologna. L’edificio, di interesse storico, ha subito diverse trasformazioni durate la sua vita ed in alcuni casi, queste, eseguite con tecnologie e materiali inadatti, hanno provocato variazioni nell’assetto statico della struttura; inoltre, il palazzo, è soggetto a movimenti a livello di fondazione in quanto è presente una faglia di subsidenza che attraversa l’edificio. Tutte queste problematiche hanno creato movimenti differenziali alla struttura in elevazione che si sono evidenziati con crepe distribuite in tutto l’edificio. Il primo aspetto analizzato (capitoli 4 e 5) è lo studio della profondità delle fessure presenti nel solaio della sala Rossa, sede dei comunicati stampa e delle conferenze della Provincia. Senza dubbio antiestetiche, le crepe presenti in una struttura, se sottovalutate, possono compromettere notevolmente le funzioni statiche dell’elemento in cui si sviluppano: la funzione di protezione fornita dal solaio o da qualsiasi altro elemento strutturale alle armature in questo immerse, viene meno, offrendo vie preferenziali a possibili situazioni di degrado, specialmente se in condizioni ambientali aggressive. E' facile intuire, quindi, che un aspetto all’apparenza banale come quello delle fessure non può essere sottovalutato. L’analisi è stata condotta utilizzando prove soniche ed impact-echo, tecniche che sfruttano lo stresso principio, la propagazione delle onde elastiche nel mezzo, ma che si differenziano per procedure di prova e frequenze generate nel test. Nel primo caso, la presenza del martello strumentato consente di valutare anche la velocità di propagazione delle onde elastiche, fenomeno utilizzato per ottenere indicazioni sulla compattezza del mezzo, mentre nel secondo non è possibile ricavare queste informazioni in quanto la tecnica si basa solamente sullo studio in frequenza del segnale. L’utilizzo dell’impact-echo è stato necessario in quanto la ristilatura effettuata sulle fessure scelte per l’analisi, non ha permesso di ottenere risultati utili tramite prove soniche ; infatti, le frequenze generate risultano troppo basse per poter apprezzare queste piccole discontinuità materiali. La fase di studio successiva ha previsto l’analisi della conformazione dei solai. Nel capitolo 6, tale studio, viene condotto sul solaio della sala Rossa con lo scopo di individuarne la conformazione e la presenza di eventuali elementi di rinforzo inseriti nelle ristrutturazioni avvenute nel corso della vita del palazzo: precedenti indagini eseguite con endoscopio, infatti, hanno mostrato una camera d’aria ed elementi metallici posizionati al di sotto della volta a padiglione costituente il solaio stesso. Le indagini svolte in questa tesi, hanno previsto l’utilizzo della strumentazione radar GPR: con questa tecnica, basata sulla propagazione delle onde elettromagnetiche all’interno di un mezzo, è possibile variare rapidamente la profondità d’ispezione ed il dettaglio ottenibile nelle analisi cambiando le antenne che trasmettono e ricevono il segnale, caratteristiche fondamentali in questo tipo di studio. I risultati ottenuti hanno confermato quanto emerso nelle precedenti indagini mostrando anche altri dettagli descritti nel capitolo. Altro solaio oggetto d’indagine è quello della sala dell’Ovale (capitoli 7 e 8): costruito per dividere l’antica sala da ballo in due volumi, tale elemento è provvisto al suo centro di un caratteristico foro ovale, da cui ne deriva il nome. La forma del solaio lascia supporre la presenza di una particolare struttura di sostegno che le precedenti analisi condotte tramite endoscopio, non sono riuscite a cogliere pienamente. Anche in questo caso le indagini sono state eseguite tramite tecnica radar GPR, ma a differenza dei dati raccolti nella sala Rossa, in questo caso è stato possibile creare un modello tridimensionale del mezzo investigato; inoltre, lo studio è stato ripetuto utilizzando un’antenna ad elevata risoluzione che ha consentito di individuare dettagli in precedenza non visibili. Un ulteriore studio condotto a palazzo Malvezzi riguarda l’analisi della risalita capillare all’interno degli elementi strutturali presenti nel piano interrato (capitolo 9): questo fenomeno, presente nella maggior parte delle opere civili, e causa di degrado delle stesse nelle zone colpite, viene indagato utilizzando il radar GPR. In questo caso, oltre che individuare i livelli di risalita osservabili nelle sezioni radar, viene eseguita anche un’analisi sulle velocità di propagazione del segnale e sulle caratteristiche dielettriche del mezzo, variabili in base al contenuto d’acqua. Lo scopo è quello di individuare i livelli massimi di risalita per poterli confrontare con successive analisi. Nella fase successiva di questo elaborato vengono presentate le analisi svolte in laboratorio. Nella prima parte, capitolo 10, viene ancora esaminato il fenomeno della risalita capillare: volendo studiare in dettaglio questo problema, sono stati realizzati dei muretti in laterizio (a 2 o 3 teste) e per ognuno di essi sono state simulate diverse condizioni di risalita capillare con varie tipologie di sale disciolto in acqua (cloruro di sodio e solfato di sodio). Lo scopo è di valutare i livelli di risalita osservabili per diverse tipologie di sale e per diverse concentrazioni dello stesso. Ancora una volta è stata utilizzata la tecnica radar GPR che permette non solo di valutare tali livelli, ma anche la distribuzione dell’umidità all’interno dei provini, riuscendo a distinguere tra zone completamente sature e zone parzialmente umide. Nello studio è stata valutata anche l’influenza delle concentrazioni saline sulla propagazione del segnale elettromagnetico. Un difetto delle tecniche di diagnostica è quello di essere strumenti qualitativi, ma non quantitativi: nel capitolo 11 viene affrontato questo problema cercando di valutare la precisione dei risultati ottenuti da indagini condotte con strumentazione radar GPR. Studiando gli stessi provini analizzati nel capitolo precedente, la tecnica radar è stata utilizzata per individuare e posizionare i difetti (muretti a 3 teste) e le pietre (muretti a 2 teste) inserite in questi elementi: i risultati ottenuti nella prova sono stati confrontati, infine, con la reale geometria. Nell’ultima parte (capitolo 12), viene esaminato il problema dell’individuazione dei vuoti all’interno di laterizi: per questo scopo sono state create artificialmente delle cavità di diversa forma e a diverse profondità all’interno di laterizi pieni che, dopo un trattamento in cella climatica per aumentarne la temperatura, sono stati sottoposti a riprese termografiche nella fase di raffreddamento. Lo scopo di queste prove è quello di valutare quale sia la massima differenza di temperatura superficiale causata dai diversi difetti e per quale intervallo di temperature questa si verifica.

Steel and macro-synthetic self-compacting fibre reinforced concrete, experimental study on the long-term deformations

Experimental study on the long-term deformations of the fibre reinforced concrete. Steel and macro-synthetic fibers were used to evaluate the shrinkage, creep, mid-span deflection, cracking and rupture analysis of three different types of samples. At the end the main topics of ACI guidelines were analyzed in order to perform an overview of design.

Development of synthetic molecular circuits for the control of cell systems

Synthetic biology is a young field of applicative research aiming to design and build up artificial biological devices, useful for human applications. How synthetic biology emerged in past years and how the development of the Registry of Standard Biological Parts aimed to introduce one practical starting solution to apply the basics of engineering to molecular biology is presented in chapter 1 in the thesis The same chapter recalls how biological parts can make up a genetic program, the molecular cloning tecnique useful for this purpose, and an overview of the mathematical modeling adopted to describe gene circuit behavior. Although the design of gene circuits has become feasible the increasing complexity of gene networks asks for a rational approach to design gene circuits. A bottom-up approach was proposed, suggesting that the behavior of a complicated system can be predicted from the features of its parts. The option to use modular parts in large-scale networks will be facilitated by a detailed and shared characterization of their functional properties. Such a prediction, requires well-characterized mathematical models of the parts and of how they behave when assembled together. In chapter 2, the feasibility of the bottom-up approach in the design of a synthetic program in Escherichia coli bacterial cells is described. The rational design of gene networks is however far from being established. The synthetic biology approach can used the mathematical formalism to identify biological information not assessable with experimental measurements. In this context, chapter 3 describes the design of a synthetic sensor for identifying molecules of interest inside eukaryotic cells. The Registry of Standard parts collects standard and modular biological parts. To spread the use of BioBricks the iGEM competition was started. The ICM Laboratory, where Francesca Ceroni completed her Ph.D, partecipated with teams of students and Chapter 4 summarizes the projects developed.

New synthetic strategies to tethered bilayer lipid membranes

Tethered bilayer lipid membranes provide an efficient, stable and versatile platform for the investigation of integrated membrane proteins. However, the incorporation of large proteins, as well as of proteins with a large submembrane part is still a very critical issue and therefore, further optimisation of the system is necessary. The central element of a tBLM is a lipid bilayer. Its proximal leaflet is, at least to some extend, covalently attached to a solid support via a spacer group. The anchor lipid consists of three distinct parts, a lipid headgroup, a spacer group and an anchor. All parts together influence the final bilayer properties. In the frame of this work, the synthesis of new thiolipids for tBLMs on gold has been investigated. The aim was to obtain molecules with longer spacers in order to increase the submembrane space. The systems obtained have been characterized using SPR and EIS. The results obtained during this study are multiple. First, the synthesis of a previously synthesized architecture was successfully scaled up in an industrial lab using a new synthetic approach. The synthesis of large amounts is now feasible. Then, the synthesis of the new thiolipids was carried out taking into account the following requirements: the increase of the submembrane space by having longer ethyleneglycol spacers, the attachment of the molecules to a gold substrate via a thiol bond, and the tunability of the lateral mobility by changing the lipid headgroup. Three different synthetic strategies have been investigated. The polymeric approach did not prove to be successful, merely because of the broad molecular weight distribution. The synthesis of heterofunctionally protected oligoethyleneglycols allowed to obtain ethyleneglycol moieties with 6 and 8 units, but the tedious purification steps gave very low yields. Finally, the block by block synthesis using ethyleneglycol precursors proved to be an efficient and fast method to synthesize the target molecules. Indeed, these were obtained with very high yields, and the separation was very efficient. A whole family of new compounds was obtained, having 6, 8 and 14 ethyleneglycol units and with mono- or diphytanyl lipid headgroups. This new pathway is a very promising synthetic strategy that can be used further in the development of new compounds of the tether system. The formation of bilayers was investigated for the different thiolipids mainly by using EIS. The electrical properties of a bilayer define the quality of the membrane and allow the study of the functionality of proteins embedded in such a system. Despite multiple trials to improve the system using self assembly, Langmuir Blodgett transfer, and detergent mixed vesicles, the new polymer thiolipids did not show as high electrical properties as tBLMs reported in the literature. Nevertheless, it was possible to show that a bilayer could be obtained for the different spacer lengths. These bilayers could be formed using self assembly for the first monolayer, and two different methods for bilayer formation, namely vesicle fusion and solvent exchange. We could furthermore show functional incorporation of the ion carrier valinomycin: the selective transport of K+ ions could be demonstrated. For DPHL, it was even possible to show the functional incorporation of the ion channel gramicidin. The influence of the spacer length is translated into an increase of the spacer capacitance, which could correspond to an increase in the capacity of charge accumulation in the submembrane space. The different systems need to be further optimised to improve the electrical properties of the bilayer. Moreover, the incorporation of larger proteins, and proteins bearing submembrane parts needs to be investigated.

Synthetic strategies of new molecular paramagnetic mechanically-interlocked complexes

Supramolecular chemistry is a multidisciplinary field which impinges on other disciplines, focusing on the systems made up of a discrete number of assembled molecular subunits. The forces responsible for the spatial organization are intermolecular reversible interactions. The supramolecular architectures I was interested in are Rotaxanes, mechanically-interlocked architectures consisting of a "dumbbell shaped molecule", threaded through a "macrocycle" where the stoppers at the end of the dumbbell prevent disassociation of components and catenanes, two or more interlocked macrocycles which cannot be separated without breaking the covalent bonds. The aim is to introduce one or more paramagnetic units to use the ESR spectroscopy to investigate complexation properties of these systems cause this technique works in the same time scale of supramolecular assemblies. Chapter 1 underlines the main concepts upon which supramolecular chemistry is based, clarifying the nature of supramolecular interactions and the principles of host-guest chemistry. In chapter 2 it is pointed out the use of ESR spectroscopy to investigate the properties of organic non-covalent assemblies in liquid solution by spin labels and spin probes. The chapter 3 deals with the synthesis of a new class of p-electron-deficient tetracationic cyclophane ring, carrying one or two paramagnetic side-arms based on 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl (TEMPO) moiety. In the chapter 4, the Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition is exploited to synthesize rotaxanes having paramagnetic cyclodextrins as wheels. In the chapter 5, the catalysis of Huisgen’s cycloaddition by CB[6] is exploited to synthesize paramagnetic CB[6]-based [3]-rotaxanes. In the chapter 6 I reported the first preliminary studies of Actinoid series as a new class of templates in catenanes’ synthesis. Being f-block elements, so having the property of expanding the valence state, they constitute promising candidates as chemical templates offering the possibility to create a complex with coordination number beyond 6.

Modeling and simulation of a synthetic genetic circuit that implements a multicelled behavior in a growing microcolony of E. coli

Synthetic Biology is a relatively new discipline, born at the beginning of the New Millennium, that brings the typical engineering approach (abstraction, modularity and standardization) to biotechnology. These principles aim to tame the extreme complexity of the various components and aid the construction of artificial biological systems with specific functions, usually by means of synthetic genetic circuits implemented in bacteria or simple eukaryotes like yeast. The cell becomes a programmable machine and its low-level programming language is made of strings of DNA. This work was performed in collaboration with researchers of the Department of Electrical Engineering of the University of Washington in Seattle and also with a student of the Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica at the University of Bologna: Marilisa Cortesi. During the collaboration I contributed to a Synthetic Biology project already started in the Klavins Laboratory. In particular, I modeled and subsequently simulated a synthetic genetic circuit that was ideated for the implementation of a multicelled behavior in a growing bacterial microcolony. In the first chapter the foundations of molecular biology are introduced: structure of the nucleic acids, transcription, translation and methods to regulate gene expression. An introduction to Synthetic Biology completes the section. In the second chapter is described the synthetic genetic circuit that was conceived to make spontaneously emerge, from an isogenic microcolony of bacteria, two different groups of cells, termed leaders and followers. The circuit exploits the intrinsic stochasticity of gene expression and intercellular communication via small molecules to break the symmetry in the phenotype of the microcolony. The four modules of the circuit (coin flipper, sender, receiver and follower) and their interactions are then illustrated. In the third chapter is derived the mathematical representation of the various components of the circuit and the several simplifying assumptions are made explicit. Transcription and translation are modeled as a single step and gene expression is function of the intracellular concentration of the various transcription factors that act on the different promoters of the circuit. A list of the various parameters and a justification for their value closes the chapter. In the fourth chapter are described the main characteristics of the gro simulation environment, developed by the Self Organizing Systems Laboratory of the University of Washington. Then, a sensitivity analysis performed to pinpoint the desirable characteristics of the various genetic components is detailed. The sensitivity analysis makes use of a cost function that is based on the fraction of cells in each one of the different possible states at the end of the simulation and the wanted outcome. Thanks to a particular kind of scatter plot, the parameters are ranked. Starting from an initial condition in which all the parameters assume their nominal value, the ranking suggest which parameter to tune in order to reach the goal. Obtaining a microcolony in which almost all the cells are in the follower state and only a few in the leader state seems to be the most difficult task. A small number of leader cells struggle to produce enough signal to turn the rest of the microcolony in the follower state. It is possible to obtain a microcolony in which the majority of cells are followers by increasing as much as possible the production of signal. Reaching the goal of a microcolony that is split in half between leaders and followers is comparatively easy. The best strategy seems to be increasing slightly the production of the enzyme. To end up with a majority of leaders, instead, it is advisable to increase the basal expression of the coin flipper module. At the end of the chapter, a possible future application of the leader election circuit, the spontaneous formation of spatial patterns in a microcolony, is modeled with the finite state machine formalism. The gro simulations provide insights into the genetic components that are needed to implement the behavior. In particular, since both the examples of pattern formation rely on a local version of Leader Election, a short-range communication system is essential. Moreover, new synthetic components that allow to reliably downregulate the growth rate in specific cells without side effects need to be developed. In the appendix are listed the gro code utilized to simulate the model of the circuit, a script in the Python programming language that was used to split the simulations on a Linux cluster and the Matlab code developed to analyze the data.

Verifikation der Niederschlagsvorhersage für Deutschland von 2001 - 2004

Die Verifikation numerischer Modelle ist für die Verbesserung der Quantitativen Niederschlagsvorhersage (QNV) unverzichtbar. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von neuen Methoden zur Verifikation der Niederschlagsvorhersagen aus dem regionalen Modell der MeteoSchweiz (COSMO-aLMo) und des Globalmodells des Europäischen Zentrums für Mittelfristvorhersage (engl.: ECMWF). Zu diesem Zweck wurde ein neuartiger Beobachtungsdatensatz für Deutschland mit stündlicher Auflösung erzeugt und angewandt. Für die Bewertung der Modellvorhersagen wurde das neue Qualitätsmaß „SAL“ entwickelt. Der neuartige, zeitlich und räumlich hoch-aufgelöste Beobachtungsdatensatz für Deutschland wird mit der während MAP (engl.: Mesoscale Alpine Program) entwickelten Disaggregierungsmethode erstellt. Die Idee dabei ist, die zeitlich hohe Auflösung der Radardaten (stündlich) mit der Genauigkeit der Niederschlagsmenge aus Stationsmessungen (im Rahmen der Messfehler) zu kombinieren. Dieser disaggregierte Datensatz bietet neue Möglichkeiten für die quantitative Verifikation der Niederschlagsvorhersage. Erstmalig wurde eine flächendeckende Analyse des Tagesgangs des Niederschlags durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass im Winter kein Tagesgang existiert und dies vom COSMO-aLMo gut wiedergegeben wird. Im Sommer dagegen findet sich sowohl im disaggregierten Datensatz als auch im COSMO-aLMo ein deutlicher Tagesgang, wobei der maximale Niederschlag im COSMO-aLMo zu früh zwischen 11-14 UTC im Vergleich zu 15-20 UTC in den Beobachtungen einsetzt und deutlich um das 1.5-fache überschätzt wird. Ein neues Qualitätsmaß wurde entwickelt, da herkömmliche, gitterpunkt-basierte Fehlermaße nicht mehr der Modellentwicklung Rechnung tragen. SAL besteht aus drei unabhängigen Komponenten und basiert auf der Identifikation von Niederschlagsobjekten (schwellwertabhängig) innerhalb eines Gebietes (z.B. eines Flusseinzugsgebietes). Berechnet werden Unterschiede der Niederschlagsfelder zwischen Modell und Beobachtungen hinsichtlich Struktur (S), Amplitude (A) und Ort (L) im Gebiet. SAL wurde anhand idealisierter und realer Beispiele ausführlich getestet. SAL erkennt und bestätigt bekannte Modelldefizite wie das Tagesgang-Problem oder die Simulation zu vieler relativ schwacher Niederschlagsereignisse. Es bietet zusätzlichen Einblick in die Charakteristiken der Fehler, z.B. ob es sich mehr um Fehler in der Amplitude, der Verschiebung eines Niederschlagsfeldes oder der Struktur (z.B. stratiform oder kleinskalig konvektiv) handelt. Mit SAL wurden Tages- und Stundensummen des COSMO-aLMo und des ECMWF-Modells verifiziert. SAL zeigt im statistischen Sinne speziell für stärkere (und damit für die Gesellschaft relevante Niederschlagsereignisse) eine im Vergleich zu schwachen Niederschlägen gute Qualität der Vorhersagen des COSMO-aLMo. Im Vergleich der beiden Modelle konnte gezeigt werden, dass im Globalmodell flächigere Niederschläge und damit größere Objekte vorhergesagt werden. Das COSMO-aLMo zeigt deutlich realistischere Niederschlagsstrukturen. Diese Tatsache ist aufgrund der Auflösung der Modelle nicht überraschend, konnte allerdings nicht mit herkömmlichen Fehlermaßen gezeigt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden sind sehr nützlich für die Verifikation der QNV zeitlich und räumlich hoch-aufgelöster Modelle. Die Verwendung des disaggregierten Datensatzes aus Beobachtungen sowie SAL als Qualitätsmaß liefern neue Einblicke in die QNV und lassen angemessenere Aussagen über die Qualität von Niederschlagsvorhersagen zu. Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten für SAL gibt es hinsichtlich der Verifikation der neuen Generation von numerischen Wettervorhersagemodellen, die den Lebenszyklus hochreichender konvektiver Zellen explizit simulieren.