Structure determination of proteins and peptides in solution: simulation, chirality and NMR studies

The study of protein fold is a central problem in life science, leading in the last years to several attempts for improving our knowledge of the protein structures. In this thesis this challenging problem is tackled by means of molecular dynamics, chirality and NMR studies. In the last decades, many algorithms were designed for the protein secondary structure assignment, which reveals the local protein shape adopted by segments of amino acids. In this regard, the use of local chirality for the protein secondary structure assignment was demonstreted, trying to correlate as well the propensity of a given amino acid for a particular secondary structure. The protein fold can be studied also by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) investigations, finding the average structure adopted from a protein. In this context, the effect of Residual Dipolar Couplings (RDCs) in the structure refinement was shown, revealing a strong improvement of structure resolution. A wide extent of this thesis is devoted to the study of avian prion protein. Prion protein is the main responsible of a vast class of neurodegenerative diseases, known as Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE), present in mammals, but not in avian species and it is caused from the conversion of cellular prion protein to the pathogenic misfolded isoform, accumulating in the brain in form of amiloyd plaques. In particular, the N-terminal region, namely the initial part of the protein, is quite different between mammal and avian species but both of them contain multimeric sequences called Repeats, octameric in mammals and hexameric in avians. However, such repeat regions show differences in the contained amino acids, in particular only avian hexarepeats contain tyrosine residues. The chirality analysis of avian prion protein configurations obtained from molecular dynamics reveals a high stiffness of the avian protein, which tends to preserve its regular secondary structure. This is due to the presence of prolines, histidines and especially tyrosines, which form a hydrogen bond network in the hexarepeat region, only possible in the avian protein, and thus probably hampering the aggregation.

Molecular characterization of the human gut microbiota: the effect of aging

Age-related physiological changes in the gastrointestinal tract, as well as modification in lifestyle, nutritional behaviour, and functionality of the host immune system, inevitably affect the gut microbiota. The study presented here is focused on the application and comparison of two different microarray approaches for the characterization of the human gut microbiota, the HITChip and the HTF-Microb.Array, with particular attention to the effects of the aging process on the composition of this ecosystem. By using the Human Intestinal Tract Chip (HITChip), recently developed at the Wageningen University, The Netherland, we explored the age-related changes of gut microbiota during the whole adult lifespan, from young adults, through elderly to centenarians. We observed that the microbial composition and diversity of the gut ecosystem of young adults and seventy-years old people is highly similar but differs significantly from that of the centenarians. After 100 years of symbiotic association with the human host, the microbiota is characterized by a rearrangement in the Firmicutes population and an enrichment of facultative anaerobes. The presence of such a compromised microbiota in the centenarians is associated with an increased inflammation status, also known as inflamm-aging, as determined by a range of peripheral blood inflammatory markers. In parallel, we overtook the development of our own phylogenetic microarray with a lower number of targets, aiming the description of the human gut microbiota structure at high taxonomic level. The resulting chip was called High Taxonomic level Fingerprinting Microbiota Array (HTF-Microb.Array), and was based on the Ligase Detection Reaction (LDR) technology, which allowed us to develop a fast and sensitive tool for the fingerprint of the human gut microbiota in terms of presence/absence of the principal groups. The validation on artificial DNA mixes, as well as the pilot study involving eight healthy young adults, demonstrated that the HTF-Microb.Array can be used to successfully characterize the human gut microbiota, allowing us to obtain results which are in approximate accordance with the most recent characterizations. Conversely, the evaluation of the relative abundance of the target groups on the bases of the relative fluorescence intensity probes response still has some hindrances, as demonstrated by comparing the HTF.Microb.Array and HITChip high taxonomic level fingerprints of the same centenarians.

Formtreue organische Makrocyclen mit polarem Innenraum

Zusammenfassung Die Arbeit beschreibt die Synthese und Eigenschaften von formtreuen organischen Makrocyclen mit intraannularen polaren Gruppen. Dabei wurden zunächst entsprechende bifunktionalisierte Acetylenbausteine (Halbringe) hergestellt, welche anschließend in einer oxidativen Glaser-Eglington Kupplung zu den Makrocyclen umgesetzt wurden.Am Anfang wurden Sulfonat-funktionalisierte Makrocyclen untersucht. Diese ließen sich mittels der Templatmethode in hohen Ausbeuten synthetisieren. Nach der Abspaltung des Templatbausteins, der gleichzeitig als Schutzgruppe für die Sulfonsäure diente, erhielt man den entsprechenden Makrocyclus als Tetra-n-butylammonium-Salz. Vor dem Hintergrund ionenleitfähige Materialien zu erhalten, wurde anschließend das organische Kation durch anorganische Kationen (z.B. Li+, Na+) ausgetauscht. Dies führte jedoch zur Bildung unlöslicher Produkte, die sich nicht eindeutig charakterisierten ließen.Ein anderer Ansatz zu löslichen Makrocyclen mit polarem Innenraum zu gelangen war die Synthese eines Dipeptid-funktionalisierten Makrocyclus. Dies geschah im Hinblick auf die eventuelle Eignung der Makrocyclen als Rezeptormoleküle für Gäste biologischen Ursprungs. Dabei ließen sich die entsprechenden Dipeptid-funktionalisierten Halbringe auf einfache Weise darstellen, jedoch trat bei der anschließenden Glaser-Kupplung, wahrscheinlich bedingt durch den hohen molaren Überschuß an Kupfersalzen, als Hauptreaktion die Abspaltung des Peptidrests auf. Daher wurde sich nun der Carbonsäuregruppe als polaren Baustein im Inneren der Ringe zugewandt. Diese sollten eine anschließende Peptidankupplung zulassen.Es wurden vier verschiedene Makrocyclen mit intraannularen Carboxylatgruppen synthetisiert. Auch hier waren die Makrocyclen in Form ihrer Methylester noch gut, in Form der Säuren oder deren Salze oftmals nur noch sehr gering löslich. Um die Löslichkeit zu verbessern, wurde dabei die Polaritätsverteilung am Ring (polarer Innenraum, unpolarer Außenraum) durch das Anbringen von löslichkeits-vermittelnden Gruppen zum Teil aufgegeben. Dabei hat sich gezeigt, daß es erst durch die Verwendung von verzweigten (S)-Methylbutoxy-Gruppen innerhalb des Rings oder langen Alkoxyketten außerhalb des Rings möglich war, zu löslichen Systemen zu gelangen. Im ersten Fall ist es zum ersten Mal gelungen, einen löslichen Makrocyclus mit zwei freien intra-annnularen Carbonsäuregruppen zu erhalten. Durch die Optimierung der Syntheseroute ist es nunmehr möglich, den Ring im Grammmaßstab herzustellen. Außerdem wurden als Testreaktion beide Säuregruppen mit Methylamin zum Säureamid vollständig umgesetzt. Somit wurde ein System entwickelt, an das sich in Zukunft beliebige Aminosäuren an den Ring anbinden lassen sollten. Zusätzlich sollte sich die Chiralität der (S)-Methylbutoxygruppen auf das Erkennen von chiralen Gästen auswirken.Im zweiten Fall wurden durch das Anbringen von vier Tris(hexadecyloxy)-benzol- oder Tris(dodecyloxy)-benzol- Gruppen an der Peripherie der Ringe nach Hydrolyse der Methylestergruppen ebenfalls lösliche, Carboxylat-funktionalisierte Makrocyclen erhalten. Eine eingehende Untersuchung der Methylester-geschützten Ringe ergab, daß diese beim Schmelzen das Auftreten einer thermotropen flüssigkristallinen Phase zeigen. Die Natur der Mesophase konnte mittels Polarisations-Lichtmikroskopie sowie Röntgenbeugungsmethoden eindeutig als kolumnar-schiefwinklig (colob) charakterisiert werden. Hierbei ist zu bemerken, daß bei ähnlichen Makrocyclen, die über keinen polar gefüllten Innenraum verfügen, keine Mesophase auftritt. Das bedeutet, daß die Raumerfüllung im Inneren der Makrocyclen, bedingt durch die polaren Gruppen, zur Ausbildung einer flüssigkristallinen Phase unbedingt notwendig ist.

Dietary strategies to minimize the detrimental impact of weaning on gut morphology, physiology and microbiota of piglets

Weaning is a crucial period in the management of piglets. In modern piggeries economic interest make weaning age decrease more and more and the detrimental consequences of weaning have as much importance as earlier the weaning occurs. The risk of development of post-weaning diarrhea (PWD) in piglets is high and PWD is the cause of serious economic losses in pig herds. In the past the supplementation of the feed given after weaning with growth promoters antibiotics, in order to keep PWD under control, used to be a common practice, but their usage has been banned in EU since 2006. This measure led to the investigation of alternative suitable feed supplements that would be reasonably efficient in protecting and sustaining animal health and performance. Aim of this thesis was to evaluate the effect of some different alternatives to growth-promoters antibiotics on weaning piglets and to assess if some of them could be considered as valuables options to replace auxinic in animal feeding. The study is composed by four experimental trials. The first one aims to identify mechanisms involved in the auxinic effects of antibiotics in the diets; the following three evaluate the addition butyric acid, tryptophan, and nitrate as alternative to in-feed antimicrobials. Although some results are controversial, it appears from the data presented that the alternatives to in-feed antibiotics considered may exert positive effects on some zootechnical and health parameters on piglet in the post-weaning period. Anyway, the mechanism of action and the interaction with microbiota of such additives should be investigated inside out because many effects remains poorly understood.

Pyrolysis of peptides and proteins. Analytical study and environmental applications

Analytical pyrolysis was used to investigate the formation of diketopiperazines (DKPs) which are cyclic dipeptides formed from the thermal degradation of proteins. A quali/quantitative procedure was developed combining microscale flash pyrolysis at 500 °C with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) of DKPs trapped onto an adsorbent phase. Polar DKPs were silylated prior to GC-MS. Particular attention was paid to the identification of proline (Pro) containing DKPs due to their greater facility of formation. The GC-MS characteristics of more than 80 original and silylated DKPs were collected from the pyrolysis of sixteen linear dipeptides and four model proteins (e.g. bovine serum albumin, BSA). The structure of a novel DKP, cyclo(pyroglutamic-Pro) was established by NMR and ESI-MS analysis, while the structures of other novel DKPs remained tentative. DKPs resulted rather specific markers of amino acid sequence in proteins, even though the thermal degradation of DKPs should be taken into account. Structural information of DKPs gathered from the pyrolysis of model compounds was employed to the identification of these compounds in the pyrolysate of proteinaceous samples, including intrinsecally unfolded protein (IUP). Analysis of the liquid fraction (bio-oil) obtained from the pyrolysis of microalgae Nannochloropsis gaditana, Scenedesmus spp with a bench scale reactor showed that DKPs constituted an important pool of nitrogen-containing compounds. Conversely, the level of DKPs was rather low in the bio-oil of Botryococcus braunii. The developed micropyrolysis procedure was applied in combination with thermogravimetry (TGA) and infrared spectroscopy (FT-IR) to investigate surface interaction between BSA and synthetic chrysotile. The results showed that the thermal behavior of BSA (e.g. DKPs formation) was affected by the different form of doped synthetic chrysotile. The typical DKPs evolved from collagen were quantified in the pyrolysates of archaeological bones from Vicenne Necropolis in order to evaluate their conservation status in combination with TGA, FTIR and XRD analysis.

Synthesis of Modified Amino Acids and Insertion in Peptides and Mimetics. Structural Aspects and Impact on Biological Activity.

I studied the effects exerted by the modifications on structures and biological activities of the compounds so obtained. I prepared peptide analogues containing unusual amino acids such as halogenated, alkylated (S)- or (R)-tryptophans, useful for the synthesis of mimetics of the endogenous opioid peptide endomorphin-1, or 2-oxo-1,3-oxazolidine-4-carboxylic acids, utilized as pseudo-prolines having a clear all-trans configuration of the preceding peptide bond. The latter gave access to a series of constrained peptidomimetics with potential interest in medicinal chemistry and in the field of the foldamers. In particular, I have dedicated much efforts to the preparation of cyclopentapeptides containing D-configured, alfa-, or beta-aminoacids, and also of cyclotetrapeptides including the retro-inverso modification. The conformational analyses confirmed that these cyclic compounds can be utilized as rigid scaffolds mimicking gamma- or beta-turns, allowing to generate new molecular and 3D diversity. Much work has been dedicated to the structural analysis in solution and in the receptor-bound state, fundamental for giving a rationale to the experimentally determined bioactivity, as well as for predicting the activity of virtual compounds (in silico pre-screen). The conformational analyses in solution has been done mostly by NMR (2D gCosy, Roesy, VT, molecular dynamics, etc.). A special section is dedicated to the prediction of plausible poses of the ligands when bound to the receptors by Molecular Docking. This computational method proved to be a powerful tool for the investigation of ligand-receptor interactions, and for the design of selective agonists and antagonists. Another practical use of cyclic peptidomimetics was the synthesis and biological evaluation of cyclic analogues of endomorphin-1 lacking in a protonable amino group. The studies revealed that a inverse type II beta-turn on D-Trp-Phe constituted the bioactive conformation.

Development of new therapeutic approaches in the treatments of Inflammatory Bowel Diseases: functional food and nutraceuticals vs synthetic peptides based vaccines

Inflammatory Bowel Diseases (IBD) are intestinal chronic relapsing diseases which ethiopathogenesis remains uncertain. Several group have attempted to study the role of factors involved such as genetic susceptibility, environmental factors such as smoke, diet, sex, immunological factors as well as the microbioma. None of the treatments available satisfy several criteria at the same time such as safety, long-term remission, histopatological healing, and specificity. We used two different approaches for the development of new therapeutic treatment for Inflammatory Bowel Disease. The first is focused on the understanding of the potential role of functional food and nutraceuticals nutrients in the treatment of IBD. To do so, we investigated the role of Curcuma longa in the treatment of chemical induced colitis in mice model. Since Curcma Longa has been investigated for its antinflammatory role related to the TNFα pathway as well investigators have reported few cases of patients with ulcerative colites treated with this herbs, we harbored the hypothesis of a role of Curcuma Longa in the treatment f IBD as well as we decided to assess its role in intestinal motility. The second part is based on an immunological approach to develop new drugs to induce suppression in Crohn’s disease or to induce mucosa immunity such as in colonrectal tumor. The main idea behind this approach is that we could manipulate relevant cell-cell interactions using synthetic peptides. We demonstrated the role of the unique interaction between molecules expressed on intestinal epithelial cells such as CD1d and CEACAM5 and on CD8+ T cells. In normal condition this interaction has a role for the expansion of the suppressor CD8+ T cells. Here, we characterized this interaction, we defined which are the epitope involved in the binding and we attempted to develop synthetic peptides from the N domain of CEACAM5 in order to manipulate it.

Taste receptors in the gut: a chemosensitive mechanism from fish to human

The ingestion of a meal evokes a series of digestive processes, which consist of the essential functions of the digestive system: food transport, secretory activity, absorption of nutrients and the expulsion of undigested residues do not absorbed. The gastrointestinal chemosensitivity is characterized by cellular elements of the endocrine gastrointestinal mucosa and nerve fibers, in particular of vagal nature. A wide range of mediators endocrine and/or paracrine can be released from various endocrine cells in response to nutrients in the diet. These hormones, in addition to their direct activity, act through specific receptors activating some of the most important functions in the control of energy intake and energy homeostasis in the body. For integration of this complex system of control of gastrointestinal chemosensitivity, recent evidence demonstrates the presence of taste receptors (TR) belonging to the family of G proteins coupled receptor expressed in the mucosa of the gastrointestinal tract of different mammals and human. This thesis is divided into several research projects that have been conceived in order to clarify the relationship between TR and nutrients. To define this relationship I have used various scientific approaches, which have gone on to evaluate changes in signal molecules of TR, in particular of the α-transducin in the fasting state and after refeeding with standard diet in the gastrointestinal tract of the pig, the mapping of the same molecule signal in the gastrointestinal tract of fish (Dicentrarchus labrax), the signaling pathway of bitter TR in the STC-1 endocrine cell line and finally the involvement of bitter TR in particular of T2R38 in patients with an excessive caloric intake. The results showed how there is a close correlation between nutrients, TR and hormonal release and how they are useful both in taste perception but also likely to be involved in chronic diseases such as obesity.

Production of bioactive peptides through sequencial action of Yarrowia lipolytica proteases and chemical glycation

This PhD thesis is aimed at studying the suitability of proteases realised by Yarrowia lipolytica to hydrolyse proteins of different origins available as industrial food by-products. Several strains of Y. lipolytica have been screened for the production of extracellular proteases by zymography. On the basis of the results some strains released only a protease having a MW of 37 kDa, which corresponds to the already reported acidic protease, while other produced prevalently or only a protease with a MW higher than 200 kDa. The proteases have been screened for their "cold attitude" on gelatin, gluten and skim milk. This property can be relevant from a biotechnological point of view in order to save energy consumption during industrial processes. Most of the strains used were endowed with proteolytic activity at 6 °C on all the three proteins. The proteolytic breakdown profiles of the proteins, detected at 27 °C, were different related to the specific strains of Y. lipolytica. The time course of the hydrolysis, tested on gelatin, affected the final bioactivities of the peptide mixtures produced. In particular, an increase in both the antioxidant and antimicrobial activities was detected when the protease of the strain Y. lipolytica 1IIYL4A was used. The final part of this work was focused on the improvement of the peptides bioactivities through a novel process based on the production of glycopeptides. Firstly, the main reaction parameters were optimized in a model system, secondly a more complex system, based on gluten hydrolysates, was taken into consideration to produce glycopeptides. The presence of the sugar moiety reduced the hydrophobicity of the glycopeptides, thus affecting the final antimicrobial activity which was significantly improved. The use of this procedure could be highly effective to modify peptides and can be employed to create innovative functional peptides using a mild temperature process.

Metagenomic trajectory of gut microbiome in the human lifespan

Co-evolving with the human host, gut microbiota establishes configurations, which vary under the pressure of inflammation, disease, ageing, diet and lifestyle. In order to describe the multi-stability of the microbiome-host relationship, we studied specific tracts of the bacterial trajectory during the human lifespan and we characterized peculiar deviations from the hypothetical development, caused by disease, using molecular techniques, such as phylogenetic microarray and next-generation sequencing. Firstly, we characterized the enterocyte-associated microbiota in breast-fed infants and adults, describing remarkable differences between the two groups of subjects. Successively, we investigated the impact of atopy on the development of the microbiome in Italian childrens, highlithing conspicuous deviations from the child-type microbiota of the Italian controls. To explore variation in the gut microbiota depending on geographical origins, which reflect different lifestyles, we compared the phylogenetic diversity of the intestinal microbiota of the Hadza hunter-gatherers of Tanzania and Italian adults. Additionally, we characterized the aged-type microbiome, describing the changes occurred in the metabolic potential of the gut microbiota of centenarians with respect to younger individuals, as a part of the pathophysiolology of the ageing process. Finally, we evaluated the impact of a probiotics intervention on the intestinal microbiota of elderly people, showing the repair of some age-related dysbioses. These studies contribute to elucidate several aspects of the intestinal microbiome development during the human lifespan, depicting the microbiota as an extremely plastic entity, capable of being reconfigured in response to different environmental factors and/or stressors of endogenous origin.

Einfluss unterschiedlicher polymerer Nanopartikel auf das Differenzierungsverhalten von humanen Stammzellen

n der vorliegenden Dissertation wurde systematisch die Interaktion von rnunterschiedlichen polymeren Nanopartikeln auf die Zellfunktionalität und das rnDifferenzierungspotential zweier humaner Stammzelllinien (mesenchymale und rnhämatopoetische Stammzellen) untersucht. Als Modellsystem wurden Polystyrol-rnPartikel für bioinerte Nanopartikel und PLLA-Partikel als Modell für bioabbaubare Nanopartikel gewählt. rnDie Analyse der Partikelaufnahme und der Zytotoxizität ergab, dass alle getesteten Partikel nach einen Zeitraum von 24 h und einer Inkubation mit 300 µg/mL Partikeln in beiden Zellsorten nicht toxisch waren. Für die CTMA-Cl-stabilisierten Partikel wurde während Differenzierungsversuche mit hMSCs eine Langzeittoxizität festgestellt, so dass diese Partikel für weitere Versuche nicht verwendet werden konnten. rnAlle Partikel wurden in die Zellen aufgenommen. Die Lutensol-stabilisierten Polystyrol-Partikel zeigten sowohl in unfunktionalisierter Form als auch mit Aminogruppen auf der Oberfläche ein geringeres Aufnahmeverhalten in hMSCs und wurden deswegen nicht für weitere Versuche verwendet. Die SDS-stabilisierten Polystyrol-Partikel zeigten eine gute Aufnahme, die durch die funktionalisierung mit Carboxylgruppen um ca. das 3-fache rnverstärkt werden konnte (hMSCs). Gleiches wurde für die CTMA-Cl stabilisierten rnPolystyrol und dem dazugehörigen aminofunktionalisierten Partikel beobachtet rn(hMSCs). In hHSCs wurden nur die SDS-stabilisierten Polystyrol-Partikel (nicht rnfunktionalisiert, carboxylfunktionalisiert) getestet. Hierbei konnte kein Unterschied bezüglich der Aufnahme festgestellt werden. Die PLLA- und PLLA-Fe-Partikel wurden sowohl in hMSCs als auch in hHSCs sehr gut und besser als die Polystyrol-Partikel aufgenommen. Das in den Partikeln eingebaute Magnetit zeigt keine Auswirkungen auf die Zellaufnahme. Für weitere Versuche wurden deshalb auf Grund der Aufnahme und Toxizitätsdaten die SDS-stabilisierten Polystyrol-Partikel (PS und PS-COOH) sowie die ebenfalls SDS-stabilisierten PLLA-Partikel (PLLA und PLLA-Fe) gewählt. Somit standen 4 Partikel zur Auswahl, die sich sowohl in ihrer Größe als auch im verwendeten Tensid nicht unterscheiden und so Aussagen über den Einfluss von Oberflächenfunktionalisierung sowie Magnetit zulassen. rnDie Zellfunktionalität der hMSCs unter Partikeleinfluss wurde mit Hilfe von IL-6 und IL-8 Messungen untersucht, hierbei zeigte sich, dass nur der PLLA-Fe-Partikel zu einer signifikant erhöhten IL-8 Ausschüttung führte, die Sekretion von IL-6 blieb vollständig unverändert. Die IL-8 Sekretion der hHSCs wurde durch die Anwesenheit der Partikel nicht verändert. rnUm den Einfluss der oben beschriebenen Partikel auf das Differenzierungspotential von hMSCs und hHSCs zu untersuchen, wurden beide Zelllinien vor der Induktion der Differenzierung für 24 h mit 300 µg/mL Partikeln inkubiert. Sowohl die histochemischen Färbungen der differenzierten hMSCs als auch die CD-Marker-Färbungen der differenzierten hHSCs zeigten keinen Einfluss der Partikel auf die Differenzierungsfähigkeit. Bei den hMSCs konnte auch keine durch die Partikel hervorgerufene Differenzierung nachgewiesen werden. Die Analyse der Differenzierung auf RNA-Ebene (qPCR) ergab jedoch für beide Zelllinien, dass einzelne Partikel einzelne Differenzierungsmarker in ihrer Expression positiv oder negativ beeinflussen. Einzig der PLLA-Partikel zeigt bei allen untersuchten Differenzierungsrichtungen in beiden Zelllinien rnkeine Veränderung der Expression. Die jeweils beobachteten Expressionsveränderungen sind jedoch nicht stark genug, um die Differenzierung sichtbar zu beeinflussen, was die histologischen bzw. CD-Marker-Färbungen gezeigt haben. rnIn einem Kooperationsprojekt mit der Gruppe von Arancha del Campo (MPI für rnPolymerforschung) wurde der Einfluss unterschiedlicher BMP-2-Peptide auf die rnosteogene Differenzierung von hMSCs untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die unterschiedlichen Peptide in keiner Konzentration und Kombination eine positive Wirkung auf die osteogene Differenzierung haben. rnIm Rahmen eines Kooperationsprojekts mit Kerstin Münnemann (MPI für rnPolymerforschung) konnte gezeigt werden, dass eine quantitative Bestimmung des rnzellulären Eisengehalts nach Inkubation mit SPIOs sowohl mit Hilfe von MRT, H1rn NMR als auch UV/VIS Messungen bis zu einem Detektionslimit von 100.000 Zellen /mL (bei einer Beladung von 10 pg Fe/Zelle) erfolgen kann.

Interactions between the gut microbiota, short-chain fatty acids and the immune system in pediatric patients undergoing hematopoietic stem cell transplantation

The gut microbiota (GM) is essential for human health and contributes to several diseases; indeed it can be considered an extension of the self and, together with the genetic makeup, determines the physiology of an organism. In this thesis has been studied the peripheral immune system reconstitution in pediatric patients undergoing allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (aHSCT) in the early phase; in parallel, have been also explored the gut microbiota variations as one of the of primary factors in governing the fate of the immunological recovery, predisposing or protecting from complications such as the onset of acute graft-versus-host disease (GvHD). Has been demonstrated, to our knowledge for the first time, that aHSCT in pediatric patients is associated to a profound modification of the GM ecosystem with a disruption of its mutualistic asset. aGvHD and non-aGvHD subjects showed differences in the process of GM recovery, in members abundance of the phylum Bacteroidetes, and in propionate fecal concentration; the latter are higher in the pre-HSCT composition of non-GvHD subjects than GvHD ones. Short-chain fatty acids (SCFAs), such as acetate, butyrate and propionate, are end-products of microbial fermentation of macronutrients and distribute systemically from the gut to blood. For this reason, has been studied their effect in vitro on human DCs, the key regulators of our immune system and the main player of aGvHD onset. Has been observed that propionate and, particularly, butyrate show a strong and direct immunomodulatory activity on DCs reducing inflammatory markers such as chemokines and interleukins. This study, with the needed caution, suggests that the pre-existing GM structure can be protective against aGvHD onset, exerting its protective role through SCFAs. They, indeed, may regulate cell traffic within secondary lymphoid tissues, influence T cell development during antigen recognition, and, thus, directly shape the immune system.

Simulations of amphiphilic peptides at the air-water interface

Amphiphile Peptide, Pro-Glu-(Phe-Glu)n-Pro, Pro-Asp-(Phe-Asp)n-Pro, und Phe-Glu-(Phe-Glu)n-Phe, können so aus n alternierenden Sequenzen von hydrophoben und hydrophilen Aminosäuren konstruiert werden, dass sie sich in Monolagen an der Luft-Wasser Grenzfläche anordnen. In biologischen Systemen können Strukturen an der organisch-wässrigen Grenzfläche als Matrix für die Kristallisation von Hydroxyapatit dienen, ein Vorgang der für die Behandlung von Osteoporose verwendet werden kann. In der vorliegenden Arbeit wurden Computersimulationenrneingesetzt, um die Strukturen und die zugrunde liegenden Wechselwirkungen welche die Aggregation der Peptide auf mikroskopischer Ebene steuern, zu untersuchen. Atomistische Molekulardynamik-Simulationen von einzelnen Peptidsträngen zeigen, dass sie sich leicht an der Luft-Wasser Grenzfläche anordnen und die Fähigkeit haben, sich in β-Schleifen zu falten, selbst für relativ kurze Peptidlängen (n = 2). Seltene Ereignisse wie diese (i.e. Konformationsänderungen) erfordern den Einsatz fortgeschrittener Sampling-Techniken. Hier wurde “Replica Exchange” Molekulardynamik verwendet um den Einfluss der Peptidsequenzen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass Peptide mit kürzeren azidischen Seitenketten (Asp vs. Glu) gestrecktere Konformationen aufwiesen als die mit längeren Seitenketten, die in der Lage waren die Prolin-Termini zu erreichen. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Prolin-Termini (Pro vs. Phe) notwendig sind, um eine 2D-Ordnung innerhalb derrnAggregate zu erhalten. Das Peptid Pro-Asp-(Phe-Asp)n-Pro, das beide dieser Eigenschaften enthält, zeigt das geordnetste Verhalten, eine geringe Verdrehung der Hauptkette, und ist in der Lage die gebildeten Aggregate durch Wasserstoffbrücken zwischen den sauren Seitenketten zu stabilisieren. Somit ist dieses Peptid am besten zur Aggregation geeignet. Dies wurde auch durch die Beurteilung der Stabilität von experimentnah-aufgesetzten Peptidaggregaten, sowie der Neigung einzelner Peptide zur Selbstorganisation von anfänglich ungeordneten Konfigurationen unterstützt. Da atomistische Simulationen nur auf kleine Systemgrößen und relativ kurze Zeitskalen begrenzt sind, wird ein vergröbertes Modell entwickelt damit die Selbstorganisation auf einem größeren Maßstab studiert werden kann. Da die Selbstorganisation an der Grenzfläche vonrnInteresse ist, wurden existierenden Vergröberungsmethoden erweitert, um nicht-gebundene Potentiale für inhomogene Systeme zu bestimmen. Die entwickelte Methode ist analog zur iterativen Boltzmann Inversion, bildet aber das Update für das Interaktionspotential basierend auf der radialen Verteilungsfunktion in einer Slab-Geometrie und den Breiten des Slabs und der Grenzfläche. Somit kann ein Kompromiss zwischen der lokalen Flüssigketsstruktur und den thermodynamischen Eigenschaften der Grenzfläche erreicht werden. Die neue Methode wurde für einen Wasser- und einen Methanol-Slab im Vakuum demonstriert, sowie für ein einzelnes Benzolmolekül an der Vakuum-Wasser Grenzfläche, eine Anwendung die von besonderer Bedeutung in der Biologie ist, in der oft das thermodynamische/Grenzflächenpolymerisations-Verhalten zusätzlich der strukturellen Eigenschaften des Systems erhalten werden müssen. Daraufrnbasierend wurde ein vergröbertes Modell über einen Fragment-Ansatz parametrisiert und die Affinität des Peptids zur Vakuum-Wasser Grenzfläche getestet. Obwohl die einzelnen Fragmente sowohl die Struktur als auch die Wahrscheinlichkeitsverteilungen an der Grenzfläche reproduzierten, diffundierte das Peptid als Ganzes von der Grenzfläche weg. Jedoch führte eine Reparametrisierung der nicht-gebundenen Wechselwirkungen für eines der Fragmente der Hauptkette in einem Trimer dazu, dass das Peptid an der Grenzfläche blieb. Dies deutet darauf hin, dass die Kettenkonnektivität eine wichtige Rolle im Verhalten des Petpids an der Grenzfläche spielt.

Relevance of the pig stomach for the detection of dietary factors and gut maturation and control

In this thesis two approaches were applied to achieve a double general objective. The first chapter was dedicated to the study of the distribution of the expression of genes of several bitter and fat receptor in several gastrointestinal tracts. A set of 7 genes for bitter taste and for 3 genes for fat taste was amplified with real-time PCR from mRNA extracted from 5 gastrointestinal segments of weaned pigs. The presence of gene expression for several chemosensing receptors for bitter and fat taste in different compartments of the stomach confirms that this organ should be considered a player for the early detection of bolus composition. In the second chapter we investigated in young pigs the distribution of butyrate-sensing olfactory receptor (OR51E1) receptor along the GIT, its relation with some endocrine markers, its variation with age, and after interventions affecting the gut environment and intestinal microbiota in piglets and in different tissues. Our results indicate that OR51E1 is strictly related to the normal GIT enteroendocrine activity. In the third chapter we investigated the differential gene expression between oxyntic and pyloric mucosa in seven starter pigs. The obtained data indicate that there is significant differential gene exression between oxintic of the young pig and pyloric mucosa and further functional studies are needed to confirm their physiological importance. In the last chapter, thymol, that has been proposed as an oral alternative to antibiotics in the feed of pigs and broilers, was introduced directly into the stomach of 8 weaned pigs and sampled for gastric oxyntic and pyloric mucosa. The analysis of the whole transcript expression shoes that the stimulation of gastric proliferative activity and the control of digestive activity by thymol can influence positively gastric maturation and function in the weaned pigs.