The effect of osmolytes on protein fold stability at the single-molecule level

By pulling and releasing the tension on protein homomers with the Atomic Force Miscroscope (AFM) at different pulling speeds, dwell times and dwell distances, the observed force-response of the protein can be fitted with suitable theoretical models. In this respect we developed mathematical procedures and open-source computer codes for driving such experiments and fitting Bell’s model to experimental protein unfolding forces and protein folding frequencies. We applied the above techniques to the study of proteins GB1 (the B1 IgG-binding domain of protein G from Streptococcus) and I27 (a module of human cardiac titin) in aqueous solutions of protecting osmolytes such as dimethyl sulfoxide (DMSO), glycerol and trimethylamine N-oxide (TMAO). In order to get a molecular understanding of the experimental results we developed an Ising-like model for proteins that incorporates the osmophobic nature of their backbone. The model benefits from analytical thermodynamics and kinetics amenable to Monte-Carlo simulation. The prevailing view used to be that small protecting osmolytes bridge the separating beta-strands of proteins with mechanical resistance, presumably shifting the transition state to significantly higher distances that correlate with the molecular size of the osmolyte molecules. Our experiments showed instead that protecting osmolytes slow down protein unfolding and speed-up protein folding at physiological pH without shifting the protein transition state on the mechanical reaction coordinate. Together with the theoretical results of the Ising-model, our results lend support to the osmophobic theory according to which osmolyte stabilisation is a result of the preferential exclusion of the osmolyte molecules from the protein backbone. The results obtained during this thesis work have markedly improved our understanding of the strategy selected by Nature to strengthen protein stability in hostile environments, shifting the focus from hypothetical protein-osmolyte interactions to the more general mechanism based on the osmophobicity of the protein backbone.

Produzione di bioidrogeno in dark fermentation da scarti dell'industria agroalimentale mediante l'impiego di batteri ipertermofili

La presente tesi di dottorato ha come argomento la produzione d’idrogeno per via fermentativa sfruttando il metabolismo anaerobico di particolari batteri estremofili del genere Thermotoga. In questo lavoro, svolto in seno al progetto Bio-Hydro, sfruttando reattori batch da 116 mL, è stato selezionato il ceppo migliore di Thermotoga fra i quatto ceppi testati: T. neapolitana. Una volta individuato il candidato batterico migliore è stato individuato il valore ottimale di pH (8.5 a t.amb) per la produzione d’idrogeno. Un intenso lavoro è stato svolto sul medium di coltura permettendone la minimizzazione e rendendolo così economicamente sostenibile per il suo utilizzo nel reattore da 19L; in questo caso il glucosio è stato completamente sostituito con due sottoprodotti agroindustriali individuati in precedenza, il melasso di barbabietola e il siero di latte. Sono stati poi eliminati i gravosi micronutrienti e le vitamine. È stata sfruttata la capacità di T. neapolitana di produrre biofilm e sono stati testati 4 diversi supporti in vetro sinterizzato e ceramici, tali test hanno permesso di individuare Biomax come supporto migliore. Sono stati svolti studi sul metabolismo di T. neapolitana volti ad individuare le concentrazioni inibenti di ogni substrato testato, l’inibizione da prodotto (idrogeno) e l’inibizione da ossigeno. Tutte queste prove hanno dato le conoscenze di base per la conduzione di esperienze su reattore da 19L. L’innovativo reattore di tipo SPCSTR è stato interamente studiato, progettato e costruito presso il DICMA. dell’Università di Bologna. La conduzione di esperienze batch su SPCSTR ha dato la possibilità di verificare il funzionamento del nuovo tipo d’impianto. Presso il Wageningen UR (NL), è stata svolta la selezione del miglior ceppo di Caldicellulosisruptor fra 3 testati e del miglior supporto per la produzione d’idrogeno; è stato poi costruito testato e condotto in continuo l’innovativo reattore CMTB.

Modernismi Litici 1922-1942. La pietra nell'Architettura Moderna

Leggere il progetto del Moderno e le sue culture costruttive in relazione alla storia e allo sviluppo della tecnologia, consente di esplorare alcuni aspetti dell’Architettura Moderna in Europa. Oltre alla più famosa, e maggiormente studiata, triade dei materiali ‘moderni’ – l’acciaio, il calcestruzzo e il vetro – la pietra ha svolto un importante ruolo nella definizione sia dello stile che della costruzione moderna. La costruzione in pietra è stata sempre associata alla tradizione e quindi deliberatamente dimenticata dal Movimento Moderno, durante la fase cruciale della modernizzazione della società e quindi dell’architettura e della costruzione. La pietra tuttavia testimonia la delicata transizione dalla tradizionale arte del costruire alle nuove tecnologie. La ricerca ha studiato l’evoluzione delle tecniche costruttive in pietra in Francia ed in Italia, durante gli anni ’20 e ’30, in relazione alle nuove tecniche industrializzate e i linguaggi delle avanguardie. La ricerca è partita dallo studio dei manuali, delle riviste e dei progetti presentati sulle loro pagine. In Italia e in Francia il rivestimento in pietra si afferma come un sistema costruttivo ‘razionale’, dove la costruzione moderna converge lentamente verso nuove soluzioni; questo sistema ha avuto negli anni ’20 e ’30 un ruolo centrale, nel quale è stato possibile un dialogo, senza contraddizioni, tra i materiali ‘moderni’ e la pietra. L’evoluzione dalle tradizionali tecniche costruttive verso i nuovi sistemi tecnologici, ha determinato una nuova costruzione in pietra che è alla base di una modernità che non rifiuta questo materiale tradizionale, ma lo trasforma secondo i nuoci principi estetici.

Computational Modeling of Cardiac Excitation-Contraction Coupling in Physiological and Pathological Conditions

The cardiomyocyte is a complex biological system where many mechanisms interact non-linearly to regulate the coupling between electrical excitation and mechanical contraction. For this reason, the development of mathematical models is fundamental in the field of cardiac electrophysiology, where the use of computational tools has become complementary to the classical experimentation. My doctoral research has been focusing on the development of such models for investigating the regulation of ventricular excitation-contraction coupling at the single cell level. In particular, the following researches are presented in this thesis: 1) Study of the unexpected deleterious effect of a Na channel blocker on a long QT syndrome type 3 patient. Experimental results were used to tune a Na current model that recapitulates the effect of the mutation and the treatment, in order to investigate how these influence the human action potential. Our research suggested that the analysis of the clinical phenotype is not sufficient for recommending drugs to patients carrying mutations with undefined electrophysiological properties. 2) Development of a model of L-type Ca channel inactivation in rabbit myocytes to faithfully reproduce the relative roles of voltage- and Ca-dependent inactivation. The model was applied to the analysis of Ca current inactivation kinetics during normal and abnormal repolarization, and predicts arrhythmogenic activity when inhibiting Ca-dependent inactivation, which is the predominant mechanism in physiological conditions. 3) Analysis of the arrhythmogenic consequences of the crosstalk between β-adrenergic and Ca-calmodulin dependent protein kinase signaling pathways. The descriptions of the two regulatory mechanisms, both enhanced in heart failure, were integrated into a novel murine action potential model to investigate how they concur to the development of cardiac arrhythmias. These studies show how mathematical modeling is suitable to provide new insights into the mechanisms underlying cardiac excitation-contraction coupling and arrhythmogenesis.

I sistemi di raccolta rifiuti domiciliare con predisposizione alla tariffazione puntuale: come cambiano i comportamenti della popolazione servita. Il caso concreto di Casalecchio di Reno nella provincia di Bologna

La tesi presenta il nuovo sistema di raccolta rifiuti domiciliare integrale, con predisposizione alla tariffazione puntuale, avviato nel Comune di Casalecchio di Reno, in provincia di Bologna. Oltre alla descrizione tecnica ed organizzativa del nuovo servizio, sono stati confrontati i dati di tre periodi temporali con i relativi grafici di comparazione

Optical power stabilization of a laser diode for qnd measurement

La realizzazione di stati non classici del campo elettromagnetico e in sistemi di spin è uno stimolo alla ricerca, teorica e sperimentale, da almeno trent'anni. Lo studio di atomi freddi in trappole di dipolo permette di avvicinare questo obbiettivo oltre a offrire la possibilità di effettuare esperimenti su condesati di Bose Einstein di interesse nel campo dell'interferometria atomica. La protezione della coerenza di un sistema macroscopico di spin tramite sistemi di feedback è a sua volta un obbiettivo che potrebbe portare a grandi sviluppi nel campo della metrologia e dell'informazione quantistica. Viene fornita un'introduzione a due tipologie di misura non considerate nei programmi standard di livello universitario: la misura non distruttiva (Quantum Non Demolition-QND) e la misura debole. Entrambe sono sfruttate nell'ambito dell'interazione radiazione materia a pochi fotoni o a pochi atomi (cavity QED e Atom boxes). Una trattazione delle trappole di dipolo per atomi neutri e ai comuni metodi di raffreddamento è necessaria all'introduzione all'esperimento BIARO (acronimo francese Bose Einstein condensate for Atomic Interferometry in a high finesse Optical Resonator), che si occupa di metrologia tramite l'utilizzo di condensati di Bose Einstein e di sistemi di feedback. Viene descritta la progettazione, realizzazione e caratterizzazione di un servo controller per la stabilizzazione della potenza ottica di un laser. Il dispositivo è necessario per la compensazione del ligh shift differenziale indotto da un fascio laser a 1550nm utilizzato per creare una trappola di dipolo su atomi di rubidio. La compensazione gioca un ruolo essenziale nel miglioramento di misure QND necessarie, in uno schema di feedback, per mantenere la coerenza in sistemi collettivi di spin, recentemente realizzato.

Dimensione di particolari sistemi lineari di curve piane

La tesi è orientata ad elaborare un’introduzione alla geometria algebrica particolarmente rivolta agli strumenti di algebra commutativa, al fine di affrontare i problemi descritti nell'ultimo paragrafo. A partire da testi basilari per l’argomento, come [A, MD] e [Ha], si introdurrà la nozione di spettro di un anello e si andranno a studiare vari casi che costituiscono una buona base per avere un panorama delle possibili strutture che si generano come schemi associati ad un anello e se ne studieranno le proprietà caratteristiche. In particolare, si analizzeranno proprietà di irriducibilità, finitezza e altro, in connessione con quelle degli anelli commutativi. Una particolare attenzione viene poi rivolta agli schemi 0-dimensionali, alle loro diverse immersioni negli spazi proiettivi ed ai problemi aperti ad essi connessi (es. determinazione della funzione di Hilbert). In questo ambito molti problemi aperti rimangono anche per questioni di semplice formulazione (ad esempio sulla dimensione di particolari spazi lineari di curve piane definite dall'imposizione di singolarità lungo schemi 0-dimensionali).

Il filo di Arianna - Una ricerca multi ed interdisciplinare per il superamento degli handicap che la x fragile propone

Il seguente lavoro di tesi verte sulla ricerca-azione formazione triennale “Il Filo di Arianna” realizzata in convenzione tra Associazione Italiana Sindrome X Fragile e Dipartimento Di Scienze dell’Educazione – Università di Bologna, finalizzata alla superamento degli handicap che la X fragile propone. La ricerca ha un fuoco in Pedagogia Speciale e un carattere multidisciplinare e inter istituzionale grazie alla sinergia con l’area neuroriabilitativa (Istituto di Ricovero e Cura a Carattere Scientifico (IRCCS) San Raffaele Pisana di Roma) e l’area della Psicologia Clinica (Ospedale Bambin Gesù di Roma). Il lavoro di tesi descrive il percorso per giungere alle linee guida di intervento scaturite dalla ricerca, per il potenziamento cognitivo ed affettivo di bambini e persone con x fragile nei contesti di casa, scuola e tempo libero.

Sistemi di radici

In questa tesi studiamo il ruolo dei sistemi di radici nella classificazione delle algebre di Lie e delle superalgebre di Lie. L'interesse per le superalgebre di Lie nasce nei primi anni '70 quando una parte dei fisici si convinse che sarebbe stato più utile e molto più chiaro riuscire ad avere uno schema di riferimento unitario in cui non dovesse essere necessario trattare separatamente particelle fisiche come bosoni e fermioni. Una teoria sistematica sulle superalgebre di Lie fu introdotta da V. Kac nel 1977 che diede la classificazione delle superalgebre di Lie semplici su un campo algebricamente chiuso.

L’amministrazione della giustizia e le sue vittime: un’analisi comparativa a livello europeo

Il lavoro si propone di indagare, a livello europeo, il fenomeno della seconda vittimizzazione, attraverso l'analisi delle condizioni attuali dei sistemi giudiziari nei confronti delle vittime di reato, anche grazie allo spoglio della giurisprudenza della Corte Europea dei Diritti dell'Uomo di Strasburgo.

Sistemi di comunicazione a corto raggio: analisi sperimentale con dispositivi NFC.

Una delle tecnologie radio che negli ultimi anni ha subito il maggior sviluppo è quella dell’identificazione a radio frequenza (Radio Frequency Identification), utilizzata in un gran numero di ambiti quali la logistica, il tracciamento, l’autenticazione e i pagamenti elettronici. Tra le tecnologie specifiche legate all’RFID si ritrova la Near Field Communication (NFC). Questa è una tecnologia di trasmissione dati a corto raggio che rappresenta un’evoluzione dell’RFID. Una delle caratteristiche dell’NFC è quella di instaurare una comunicazione tra due dispositivi in maniera semplice e intuitiva. L’oggetto che instaura la comunicazione è il Reader, nell’ambito RFID è un dispositivo altamente specializzato, poiché può lavorare a diverse frequenze operative. L’elemento innovativo che ha consentito il successo dell’NFC è il fatto che questa tecnologia possa integrare il Reader in uno strumento di comunicazione di largo uso, ovvero lo smartphone. Questo permette di inizializzare lo scambio dati, sia esso di lettura di un circuito integrato passivo o una trasmissione peer-to-peer, a seguito del naturale gesto di avvicinare lo smartphone. Analisti ed esperti del settore sono convinti del successo dell’NFC, nonostante siano state smentite le attese che vedevano l’NFC integrato in oltre la metà dei cellulari entro il 2010. Tra le molteplici applicazioni NFC in questo elaborato ci si soffermerà in particolare sul cosiddetto Smart Poster. Questo utilizzo può essere molto efficace avendo una gamma di impiego molto vasta. Per l’immagazzinamento dei dati nei Tag o nelle Smart Card si è utilizzato un protocollo d’incapsulamento dati chiamato NDEF (NFC Data Exchange Format) trattato nel capitolo 3 di questa trattazione. Nella seconda parte dell’elaborato si è realizzata una sperimentazione per misurare le distanze di funzionamento di cellulari e Reader per PC. In questo ambito si è realizzato quello che si è definito lo Smart Brick, cioè un mattone che comunica con dispositivi NFC grazie all’installazione di un Tag al suo interno. Si parlerà della realizzazione e degli strumenti software/hardware che hanno permesso di realizzare e programmare questo ”mattone elettronico”.

Development of methodologies for fish freshness assessment using metabonomics applications.

This study focuses on the use of metabonomics applications in measuring fish freshness in various biological species and in evaluating how they are stored. This metabonomic approach is innovative and is based upon molecular profiling through nuclear magnetic resonance (NMR). On one hand, the aim is to ascertain if a type of fish has maintained, within certain limits, its sensory and nutritional characteristics after being caught; and on the second, the research observes the alterations in the product’s composition. The spectroscopic data obtained through experimental nuclear magnetic resonance, 1H-NMR, of the molecular profiles of the fish extracts are compared with those obtained on the same samples through analytical and conventional methods now in practice. These second methods are used to obtain chemical indices of freshness through biochemical and microbial degradation of the proteic nitrogen compounds and not (trimethylamine, N-(CH3)3, nucleotides, amino acids, etc.). At a later time, a principal components analysis (PCA) and a linear discriminant analysis (PLS-DA) are performed through a metabonomic approach to condense the temporal evolution of freshness into a single parameter. In particular, the first principal component (PC1) under both storage conditions (4 °C and 0 °C) represents the component together with the molecular composition of the samples (through 1H-NMR spectrum) evolving during storage with a very high variance. The results of this study give scientific evidence supporting the objective elements evaluating the freshness of fish products showing those which can be labeled “fresh fish.”

Constraint based methods for allocation and scheduling of periodic applications

This work presents exact algorithms for the Resource Allocation and Cyclic Scheduling Problems (RA&CSPs). Cyclic Scheduling Problems arise in a number of application areas, such as in hoist scheduling, mass production, compiler design (implementing scheduling loops on parallel architectures), software pipelining, and in embedded system design. The RA&CS problem concerns time and resource assignment to a set of activities, to be indefinitely repeated, subject to precedence and resource capacity constraints. In this work we present two constraint programming frameworks facing two different types of cyclic problems. In first instance, we consider the disjunctive RA&CSP, where the allocation problem considers unary resources. Instances are described through the Synchronous Data-flow (SDF) Model of Computation. The key problem of finding a maximum-throughput allocation and scheduling of Synchronous Data-Flow graphs onto a multi-core architecture is NP-hard and has been traditionally solved by means of heuristic (incomplete) algorithms. We propose an exact (complete) algorithm for the computation of a maximum-throughput mapping of applications specified as SDFG onto multi-core architectures. Results show that the approach can handle realistic instances in terms of size and complexity. Next, we tackle the Cyclic Resource-Constrained Scheduling Problem (i.e. CRCSP). We propose a Constraint Programming approach based on modular arithmetic: in particular, we introduce a modular precedence constraint and a global cumulative constraint along with their filtering algorithms. Many traditional approaches to cyclic scheduling operate by fixing the period value and then solving a linear problem in a generate-and-test fashion. Conversely, our technique is based on a non-linear model and tackles the problem as a whole: the period value is inferred from the scheduling decisions. The proposed approaches have been tested on a number of non-trivial synthetic instances and on a set of realistic industrial instances achieving good results on practical size problem.

L'accumulo dell'energia e l'integrazione dei sistemi caes nell'ottimizzazione delle fonti rinnovabili

La tesi si propone come informativa dei principali metodi di produzione di energia rinnovabile e su come ottimizzare tali produzioni tenendo conto dei vincoli imposti dal sistema elettrico all'immissione in rete di potenza elettrica intermittente. Viene proposto, in particolare, l'accumulo di energia sotto forma di aria compressa (sistema CAES).

Sviluppo di un sistema per l'ottimizzazione della dose in radioterapia tramite "dose-painting" basato sui voxel

Il presente lavoro è stato svolto presso la struttura di Fisica Medica dell'Azienda Ospedaliera IRCCS "Arcispedale S. Maria Nuova" di Reggio Emilia e consiste nello sviluppo di un sistema per l'ottimizzazione della dose in Radioterapia tramite dose-painting basato sui voxel. Il dose painting è una tecnica di pianificazione del trattamento di radioterapia che si basa sull'assegnazione o ridistribuzione della dose secondo le informazioni biologiche e metaboliche che i moderni sistemi di imaging sono in grado di fornire. La realizzazione del modulo di calcolo BioOPT è stata possibile grazie all'utilizzo dei due software open-source Plastimatch e CERR, specifici per l'elaborazione e la registrazione di immagini mediche di diversi tipi e formati e per la gestione, la modifica e il salvataggio di piani di trattamento di radioterapia creati con la maggior parte dei software commerciali ed accademici. Il sistema sviluppato è in grado di registrare le immagini relative ad un paziente, in generale ottenute da diverse tipologie di imaging e acquisite in tempi diversi ed estrarre le informazioni biologiche relative ad una certa struttura. Tali informazioni verranno poi utilizzate per calcolare le distribuzioni di dose "ottimale" che massimizzano il valore delle funzioni radiobiologiche utilizzate per guidare il processo di redistribuzione della dose a livello dei voxel (dose-painting). In questo lavoro il modulo è stato utilizzato principalmente per l'ottimizzazione della dose in pazienti affetti da Glioblastoma, un tumore cerebrale maligno tra i più diffusi e mortali. L'ottimizzatore voxel-based, infatti, è stato sviluppato per essere utilizzabile all'interno di un progetto di ricerca finanziato dal Ministero della Salute per la valutazione di un programma di terapia che include l'uso di un innovativo acceleratore lineare ad alto rateo di dose per la cura di tumori cerebrali in fase avanzata. Al fine di migliorare il trattamento radiante, inoltre, lo studio include la somministrazione della dose tramite dose-painting con lo scopo di verificarne l'efficacia. I risultati ottenuti mostrano che tramite il modulo sviluppato è possibile ottenere distribuzioni di dose eterogenee che tengono conto delle caratteristiche biologiche intratumore stimate a partire dalle immagini multimodali. Inoltre il sistema sviluppato, grazie alla sua natura 'open', è altamente personalizzabile a scopi di ricerca e consente di simulare distribuzioni di dose basate sui voxel e di confrontarle con quelle ottenute con i sistemi commerciali ad uso clinico, che non consentono questo tipo di ottimizzazioni.