Development of synthetic methods of silicon nanocrystals functionalized with photoactive molecules

The thesis is focused on the development of a method for the synthesis of silicon nanocrystals with different sizes, narrow size distribution, good optical properties and stability in air. The resulting silicon nanocrystals have been covalently functionalized with different chromophores with the aim to exploit the new electronic and chemical properties that emerge from the interaction between silicon nanocrystal surface and ligands. The purpose is to use these chromophores as light harvesting antennae, increasing the optical absorption of silicon nanocrystals. Functionalized silicon nanocrystals have been characterized with different analytical techniques leading to a good knowledge of optical properties of semiconductor quantum dots.

Synthesis of constrained peptidomimetics for therapeutic, diagnostic and theranostic applications

This thesis work deals, principally, with the development of different chemical protocols ranging from environmental sustainability peptide synthesis to asymmetric synthesis of modified tryptophans to a series of straightforward procedures for constraining peptide backbones without the need for a pre-formed scaffold. Much efforts have been dedicated to the structural analysis in a biomimetic environment, fundamental for predicting the in vivo conformation of compounds, as well as for giving a rationale to the experimentally determined bioactivity. The conformational analyses in solution has been done mostly by NMR (2D gCosy, Roesy, VT, titration experiments, molecular dynamics, etc.), FT-IR and ECD spectroscopy. As a practical application, 3D rigid scaffolds have been employed for the synthesis of biological active compounds based on peptidomimetic and retro-mimetic structures. These mimics have been investigated for their potential as antiflammatory agents and actually the results obtained are very promising. Moreover, the synthesis of Amo ring permitted the development of an alternative high effective synthetic pathway for obtaining Linezolid antibiotic. The final section is, instead, dedicated to the construction of a new biosensor based on zeolite L SAMs functionalized with the integrin ligand c[RGDfK], that has showed high efficiency for the selective detection of tumor cells. Such kind of sensor could, in fact, enable the convenient, non-invasive detection and diagnosis of cancer in early stages, from a few drops of a patient's blood or other biological fluids. In conclusion, the researches described herein demonstrate that the peptidomimetic approach to 3D definite structures, allows unambiguous investigation of the structure-activity relationships, giving an access to a wide range bioactive compounds of pharmaceutical interest to use not only as potential drugs but also for diagnostic and theranostic applications.

Quantum biology. Simulazioni di trasferimento di energia in una struttura dimerica

La quantum biology (QB) è un campo di ricerca emergente che cerca di affronta- re fenomeni quantistici non triviali all’interno dei contesti biologici dotandosi di dati sperimentali di esplorazioni teoriche e tecniche numeriche. I sistemi biologici sono per definizione sistemi aperti, caldi,umidi e rumorosi, e queste condizioni sono per loro imprenscindibili; si pensa sia un sistema soggetto ad una veloce decoerenza che sopprime ogni dinamica quantistica controllata. La QB, tramite i principi di noise assisted transport e di antenna fononica sostiene che la presenza di un adeguato livello di rumore ambientale aumenti l’efficienza di un network di trasporto,inoltre se all’interno dello spettro ambientale vi sono specifici modi vibrazionali persistenti si hanno effetti di risonanza che rigenerano la coerenza quantistica. L’interazione ambiente-sistema è di tipo non Markoviano,non perturbativo e di forte non equi- librio, ed il rumore non è trattato come tradizionale rumore bianco. La tecnica numerica che per prima ha predetto la rigenerazione della coerenza all’interno di questi network proteici è stato il TEBD, Time Evolving Block Decimation, uno schema numerico che permette di simulare sistemi 1-D a molti corpi, caratterizzati da interazioni di primi vicini e leggermente entangled. Tramite gli algoritmi numerici di Orthopol l’hamiltoniana spin-bosone viene proiettata su una catena discreta 1-D, tenendo conto degli effetti di interazione ambiente-sistema contenuti nello spettro(il quale determina la dinamica del sistema).Infine si esegue l’evoluzione dello stato.

Konfokalmikroskopie an stabilen und metastabilen kolloidalen Hartkugel-Fluiden : interne Struktur, Kristallnukleation und Kristallwachstum

Die vorliegende Forschungsarbeit behandelt konfokalmikroskopische Untersuchungen zur Strukturbildung in kolloidalen Suspensionen, die als experimentelles Modellsystem für harte Kugeln verwendet werden. Die lokale und globale Struktur wurde im stabilen und metastabilen Fluid bestimmt. Bereits unterhalb des Gefriervolumenbruchs wurden nah-geordnete Cluster vorgefunden, die mit zunehmendem Volumenbruch häufiger und größer werden. Das Kristallwachstum aus der metastabilen kolloidalen Schmelze konnte quantitativ analysiert werden und es zeigt sich eine Übereinstimmung mehrerer Kenngrößen mit Literaturdaten nahe dem Schmelzvolumenbruch. Die Untersuchung demonstrierte die Realisierbarkeit der quantitativen Analyse der Kristallisationskinetik mittels konfokaler Mikroskopie. Es zeigte sich ein mehrstufiges Nukleationsszenario bei dem zuerst nah-geordnete Cluster gebildet werden, die im weiteren Verlauf zu kristall-artigen Clustern transformieren. Die Beobachtungen belegen den Mechanismus der Precursornukleation in Hartkugelsystemen. Die heterogene Nukleation wurde an glatten und an hexagonal strukturierten Substraten untersucht. Anhand der Kristallisationskinetik und der direkten Messung der Benetzungswinkel konnte ein Übergang des Benetzungsverhaltens unter Variation des Substratgitterabstands nachgewiesen werden: An glatten und an kommensurabel strukturierten Substraten zeigten sich eine vollständige Bedeckung des Substrats mit der kristallinen Phase und ein sofortiges unidirektionales Wachstum. Bei inkommensurabel strukturierten Substraten wurde eine unvollständige Bedeckung des strukturierten Substrats mit der kristallinen Phase sowie ein verzögertes isotropes Wachstum bei fortwährender Kristallnukleation beobachtet.

Visuell-mediale Landschaftskonstruktionen als Bild-Raum-Diskurse

Durch die massenmediale Zunahme von statischen und bewegten Bilder im Laufe des letzten Jahrhunderts vollzieht sich unsere lebensweltliche Wirklichkeitskonstruktion zu Beginn des 21. Jahrhunderts zunehmend über Visualisierungen, die mit den neuen Formen der Digitalisierung noch an Dynamik zunehmen werden. Mit diesen omnipräsenten visuell-medialen Repräsentationen werden meist räumliche Vorstellungen transportiert, denn Räume werden vor allem über Bilder konstruiert. Diese Bildräume zirkulieren dabei nicht als singuläre Bedeutungszuschreibungen, sondern sind in sprachliche und bildliche Diskurse eingebettet. Visuell-mediale Bild-Raum-Diskurse besitzen zunehmend die Fähigkeit, unser Wissen über und unsere Wahrnehmung von Räumen zu kanalisieren und auf stereotype Raumstrukturen zu reduzieren. Dabei verfestigt sich eine normative Ordnung von bestimmten machtvollen Bildräumen, die nicht genügend kritisch hinterfragt werden. Deshalb ist es für die Geographie von entscheidender Wichtigkeit, mediale Raumkonstruktio- nen, ihre Einbettung in diskursive Bildarchive und ihre essentialistische und handlungspraktische gesellschaftliche Wirkung zu verstehen.rnLandschaften können vor diesem Hintergrund als visuell-medial transportierte Bild-Raum-Diskurse konzeptionalisiert werden, deren gesellschaftliche Wirkmächtigkeit mit Hilfe einer visuell ausgerichteten Diskursanalyse hinterfragt werden sollte. Auf Grundlage einer zeichentheoretischen Ikonologie wurde eine Methodik entwickelt, die visuell ausgerichtete Schrift-Bild-Räume angemessen analysieren kann. Am Beispiel der Inszenierung des Mittelrheintals, wurde, neben einer diachronischen Strukturanalyse der diskursrelevanten Medien (Belletristik, Malerei, Postkarten, Druckgrafiken und Fotografien), eine Feinanalyse der fotografischen „Rheinlandschaften“ von August Sander der 1930er Jahre durchgeführt. Als Ergebnis zeigte sich, dass der Landschaftsdiskurs über das Mittelrheintal immer noch durch die gegenseitige Durchdringung der romantischen Literatur und Malerei in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts und die historischen Fotografien in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts bestimmt ist, nicht zuletzt forciert durch die Ernennung zum UNESCO-Welterbe 2002. Der stark visuell ausgerichtete Landschaftsdiskurs trägt somit zum einen positiv konnotierte, romantisch-pittoreske Züge, die die Einheit von Mensch und Natur symbolisieren, zum anderen historisch-konservatorische Züge, die eine Mythifizierung zu einer gewachsenen, authentischen Kulturlandschaft evozieren.

Unraveling efficiency-limiting processes in organic solar cells by ultrafast spectroscopy - impact of chemical structure and morphology on photophysics and efficiency

Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung der photophysikalischen Prozesse, die in Mischungen von Elektronendonoren mit Elektronenakzeptoren zur Anwendung in organischen Solarzellen auftreten. Als Elektronendonoren werden das Copolymer PBDTTT-C, das aus Benzodithiophen- und Thienothiophene-Einheiten besteht, und das kleine Molekül p-DTS(FBTTh2)2, welches Silizium-überbrücktes Dithiophen, sowie fluoriertes Benzothiadiazol und Dithiophen beinhaltet, verwendet. Als Elektronenakzeptor finden ein planares 3,4:9,10-Perylentetracarbonsäurediimid-(PDI)-Derivat und verschiedene Fullerenderivate Anwendung. PDI-Derivate gelten als vielversprechende Alternativen zu Fullerenen aufgrund der durch chemische Synthese abstimmbaren strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften. Das gewichtigste Argument für PDI-Derivate ist deren Absorption im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums was den Photostrom verbessern kann. Fulleren-basierte Mischungen übertreffen jedoch für gewöhnlich die Effizienz von Donor-PDI-Mischungen.rnUm den Nachteil der PDI-basierten Mischungen im Vergleich zu den entsprechenden Fulleren-basierten Mischungen zu identifizieren, werden die verschiedenen Donor-Akzeptor-Kombinationen auf ihre optischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Zeitaufgelöste Spektroskopie, vor allem transiente Absorptionsspektroskopie (TA), wird zur Analyse der Ladungsgeneration angewendet und der Vergleich der Donor-PDI Mischfilme mit den Donor-Fulleren Mischfilmen zeigt, dass die Bildung von Ladungstransferzuständen einen der Hauptverlustkanäle darstellt.rnWeiterhin werden Mischungen aus PBDTTT-C und [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylesther (PC61BM) mittels TA-Spektroskopie auf einer Zeitskala von ps bis µs untersucht und es kann gezeigt werden, dass der Triplettzustand des Polymers über die nicht-geminale Rekombination freier Ladungen auf einer sub-ns Zeitskala bevölkert wird. Hochentwickelte Methoden zur Datenanalyse, wie multivariate curve resolution (MCR), werden angewendet um überlagernde Datensignale zu trennen. Zusätzlich kann die Regeneration von Ladungsträgern durch Triplett-Triplett-Annihilation auf einer ns-µs Zeitskala gezeigt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss des Lösungsmitteladditivs 1,8-Diiodooctan (DIO) auf die Leistungsfähigkeit von p-DTS(FBTTh2)2:PDI Solarzellen untersucht. Die Erkenntnisse von morphologischen und photophysikalischen Experimenten werden kombiniert, um die strukturellen Eigenschaften und die Photophysik mit den relevanten Kenngrößen des Bauteils in Verbindung zu setzen. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen (time-resolved photoluminescence, TRPL) zeigen, dass der Einsatz von DIO zu einer geringeren Reduzierung der Photolumineszenz führt, was auf eine größere Phasentrennung zurückgeführt werden kann. Außerdem kann mittels TA Spektroskopie gezeigt werden, dass die Verwendung von DIO zu einer verbesserten Kristallinität der aktiven Schicht führt und die Generation freier Ladungen fördert. Zur genauen Analyse des Signalzerfalls wird ein Modell angewendet, das den gleichzeitigen Zerfall gebundener CT-Zustände und freier Ladungen berücksichtigt und optimierte Donor-Akzeptor-Mischungen zeigen einen größeren Anteil an nicht-geminaler Rekombination freier Ladungsträger.rnIn einer weiteren Fallstudie wird der Einfluss des Fullerenderivats, namentlich IC60BA und PC71BM, auf die Leistungsfähigkeit und Photophysik der Solarzellen untersucht. Eine Kombination aus einer Untersuchung der Struktur des Dünnfilms sowie zeitaufgelöster Spektroskopie ergibt, dass Mischungen, die ICBA als Elektronenakzeptor verwenden, eine schlechtere Trennung von Ladungstransferzuständen zeigen und unter einer stärkeren geminalen Rekombination im Vergleich zu PCBM-basierten Mischungen leiden. Dies kann auf die kleinere Triebkraft zur Ladungstrennung sowie auf die höhere Unordnung der ICBA-basierten Mischungen, die die Ladungstrennung hemmen, zurückgeführt werden. Außerdem wird der Einfluss reiner Fullerendomänen auf die Funktionsfähigkeit organischer Solarzellen, die aus Mischungen des Thienothienophen-basierenden Polymers pBTTT-C14 und PC61BM bestehen, untersucht. Aus diesem Grund wird die Photophysik von Filmen mit einem Donor-Akzeptor-Mischungsverhältnis von 1:1 sowie 1:4 verglichen. Während 1:1-Mischungen lediglich eine co-kristalline Phase, in der Fullerene zwischen den Seitenketten von pBTTT interkalieren, zeigen, resultiert der Überschuss an Fulleren in den 1:4-Proben in der Ausbildung reiner Fullerendomänen zusätzlich zu der co kristallinen Phase. Transiente Absorptionsspektroskopie verdeutlicht, dass Ladungstransferzustände in 1:1-Mischungen hauptsächlich über geminale Rekombination zerfallen, während in 1:4 Mischungen ein beträchtlicher Anteil an Ladungen ihre wechselseitige Coulombanziehung überwinden und freie Ladungsträger bilden kann, die schließlich nicht-geminal rekombinieren.

Sensitive and selective detection of free FXIII activation peptide: a potential marker of acute thrombotic events

Coagulation factor XIII (FXIII) stabilizes fibrin fibers and is therefore a major player in the maintenance of hemostasis. FXIII is activated by thrombin resulting in cleavage and release of the FXIII activation peptide (AP-FXIII). The objective of this study was to characterize the released AP-FXIII and determine specific features that may be used for its specific detection. We analyzed the structure of bound AP-FXIII within the FXIII A-subunit and interactions of AP-FXIII by hydrogen bonds with both FXIII A-subunit monomers. We optimized our previously developed AP-FXIII ELISA by using 2 monoclonal antibodies. We determined high binding affinities between the antibodies and free AP-FXIII and demonstrated specific binding by epitope mapping analyses with surface plasmon resonance and enzyme-linked immunosorbent assay. Because the structure of free AP-FXIII had been characterized so far by molecular modeling only, we performed structural analysis by nuclear magnetic resonance. Recombinant AP-FXIII was largely flexible both in plasma and water, differing significantly from the rigid structure in the bound state. We suggest that the recognized epitope is either occluded in the noncleaved form or possesses a structure that does not allow binding to the antibodies. On the basis of our findings, we propose AP-FXIII as a possible new marker for acute thrombotic events.

Phenotype-genotype correlation in eight Polish patients with inherited Factor XIII deficiency: identification of three novel mutations

Inherited factor XIII (FXIII) deficiency is known as one of the most rare blood coagulation disorder in humans. In the present study, phenotype and genotype of eight FXIII deficient Polish patients from five unrelated families were compared. The patients presented with a severe phenotype demonstrated by a high incidence of intracerebral haemorrhages (seven of eight patients), haemarthrosis (six patients) and bleeding due to trauma (five patients). Introduction of regular substitution with FXIII concentrate prevented spontaneous bleeding in seven patients. In all patients, mutations within the F13A gene have been identified revealing four missense mutations (Arg77Cys, Arg260Cys, Ala378Pro, Gly420Ser), one nonsense mutation (Arg661X), one splice site mutation (IVS5-1 G>A) and one small deletion (c.499-512del). One homozygous large deletion involving exon 15 was detected by failure of PCR product. The corresponding mutations resulted in severely reduced FXIII activity and FXIII A-subunit antigen concentration, while FXIII B-subunit antigen remained normal or mildly decreased. Structural analysis demonstrated that the novel Ala378Pro mutation may cause a disruption of the FXIII catalytic triad leading to a non-functional protein which presumably undergoes premature degradation. In conclusion, the severe phenotype with high incidence of intracranial bleeding and haemarthrosis was in accordance with laboratory findings on FXIII and with severe molecular defects of the F13A gene.

Factor XIII activation peptide is released into plasma upon cleavage by thrombin and shows a different structure compared to its bound form

The first step of coagulation factor XIII (FXIII) activation involves cleavage of the FXIII activation peptide (FXIII-AP) by thrombin. However, it is not known whether the FXIII-AP is released into plasma upon cleavage or remains attached to activated FXIII. The aim of the present work was to study the structure of free FXIII-AP, develop an assay for FXIII-AP determination in human plasma, and to answer the question whether FXIII-AP is released into plasma. We used ab-initio modeling and molecular dynamics simulations to study the structure of free FXIII-AP. We raised monoclonal and polyclonal antibodies against FXIII-AP and developed a highly sensitive and specific ELISA method for direct detection of FXIII-AP in human plasma. Structural analysis showed a putative different conformation of the free FXIII-AP compared to FXIII-AP bound to the FXIII protein. We concluded that it might be feasible to develop specific antibodies against the free FXIII-AP. Using our new FXIII-AP ELISA, we found high levels of FXIII-AP in in-vitro activated plasma samples and serum. We showed for the first time that FXIIIAP is detached from activated FXIII and is released into plasma, where it can be directly measured. Our findings may be of major clinical interest in regard to a possible new marker in thrombotic disease.

Finite element 3D reconstruction of the pulmonary acinus imaged by synchrotron X-ray tomography

The alveolated structure of the pulmonary acinus plays a vital role in gas exchange function. Three-dimensional (3D) analysis of the parenchymal region is fundamental to understanding this structure-function relationship, but only a limited number of attempts have been conducted in the past because of technical limitations. In this study, we developed a new image processing methodology based on finite element (FE) analysis for accurate 3D structural reconstruction of the gas exchange regions of the lung. Stereologically well characterized rat lung samples (Pediatr Res 53: 72-80, 2003) were imaged using high-resolution synchrotron radiation-based X-ray tomographic microscopy. A stack of 1,024 images (each slice: 1024 x 1024 pixels) with resolution of 1.4 mum(3) per voxel were generated. For the development of FE algorithm, regions of interest (ROI), containing approximately 7.5 million voxels, were further extracted as a working subunit. 3D FEs were created overlaying the voxel map using a grid-based hexahedral algorithm. A proper threshold value for appropriate segmentation was iteratively determined to match the calculated volume density of tissue to the stereologically determined value (Pediatr Res 53: 72-80, 2003). The resulting 3D FEs are ready to be used for 3D structural analysis as well as for subsequent FE computational analyses like fluid dynamics and skeletonization.

Conformationally homogeneous heterocyclic pseudotetrapeptides as three-dimensional scaffolds for rational drug design: receptor-selective somatostatin analogues

A would-be amide: A 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole was used as a surrogate for a trans amide bond to create a library of 16 diastereomeric pseudotetrapeptides as beta-turn mimetics. High-resolution structural analysis indicated that these scaffolds adopt distinct, rigid, conformationally homogeneous beta-turn-like structures (see example), some of which bind somatostatin receptor subtypes selectively, and some of which show broad-spectrum activity.

A Benzaldehyde Derivative as a Chelating Ligand: Helical Manganese(II) Coordination Polymers Assembling into a Porous Solid

A molecular, porous crystalline material constructed from neutral helical coordination polymers incorporating manganese(II) ions and two types of bridging ligands, namely the deprotonated form of 2-hydroxy-5-methoxy-3-nitrobenzaldehyde (HL) and isobutyrate (iB−), has been obtained and structurally characterized. Structural analysis reveals that within the coordination polymer each benzaldehyde derivative ligates two manganese ions in 6-membered chelating rings, and the isobutyrate ligands cooperatively chelate either two or three manganese ions. The solid state assembly of the resulting polymeric chains of formula [Mn4(L)2(iB)6]n (1), described in the polar space group R3c, is associated with tubular channels occupied by MeCN solvent molecules (1·xMeCN; x ≤ 9). TGA profiles and PXRD measurements demonstrate that the crystallinity of the solid remains intact in its fully desolvated form, and its stability and crystallinity are ensured up to a temperature of 190 °C. Gas adsorption properties of desolvated crystals were probed, but no remarkable sorption capacity of N2 and only a limited one for CO2 could be observed. Magnetic susceptibility data reveal an antiferromagnetic type of coupling between adjacent manganese(II) ions along the helical chains with energy parameters J1 = −5.9(6) cm−1 and J2 = −1.8(9) cm−1.

DNA-multiporhyrinic systems: promising objects for materials science

Porphyrin-containing materials are attractive objects for advanced light-harvesting systems [1]. Despite existence of numerous approaches to arrange porphyrines in a controlled and programmed way and therefore mimic natural photosynthetic systems, the problem of porphyrin`s arraying remains challenging [2]. Herein, we present an approach based on using DNA as a scaffold to hold porphyrines together. The whole spectroscopic investigation of the compounds containing several porphyrines and a possibility of their usage as molecular blocks for functional supramolecular architectures is discussed [3].

Expression, purification and low-resolution structure of human vitamin C transporter SVCT1 (SLC23A1)

Expression and purification of human membrane proteins for structural studies represent a great challenge. This is because micro- to milligram amounts of pure isolated protein are required. To this aim, we successfully expressed the human vitamin C transporter-1 (hSVCT1; SLC23A1) in Xenopus laevis oocytes and isolated highly pure protein in microgram amounts. Recombinant hSVCT1 was functional when expressed in oocytes and glycosylated. Structural analysis of purified hSVCT1 by transmission electron microscopy and single particle analysis unveiled its shape, dimensions and low-resolution structure as well as the existence of a major monomeric and minor dimeric population. Chemical crosslinking of isolated oocyte membranes containing expressed hSVCT1 indicated similar oligomeric states of hSVCT1 in lipid bilayers. This work reports the first purification and structural analysis of a human SVCT protein and opens the way for future functional and structural studies using purified hSVCT1.

Accumulating mutations in series of haplotypes at the KIT and MITF loci are major determinants of white markings in Franches-Montagnes horses.

Coat color and pattern variations in domestic animals are frequently inherited as simple monogenic traits, but a number are known to have a complex genetic basis. While the analysis of complex trait data remains a challenge in all species, we can use the reduced haplotypic diversity in domestic animal populations to gain insight into the genomic interactions underlying complex phenotypes. White face and leg markings are examples of complex traits in horses where little is known of the underlying genetics. In this study, Franches-Montagnes (FM) horses were scored for the occurrence of white facial and leg markings using a standardized scoring system. A genome-wide association study (GWAS) was performed for several white patterning traits in 1,077 FM horses. Seven quantitative trait loci (QTL) affecting the white marking score with p-values p≤10(-4) were identified. Three loci, MC1R and the known white spotting genes, KIT and MITF, were identified as the major loci underlying the extent of white patterning in this breed. Together, the seven loci explain 54% of the genetic variance in total white marking score, while MITF and KIT alone account for 26%. Although MITF and KIT are the major loci controlling white patterning, their influence varies according to the basic coat color of the horse and the specific body location of the white patterning. Fine mapping across the MITF and KIT loci was used to characterize haplotypes present. Phylogenetic relationships among haplotypes were calculated to assess their selective and evolutionary influences on the extent of white patterning. This novel approach shows that KIT and MITF act in an additive manner and that accumulating mutations at these loci progressively increase the extent of white markings.