Self-standing curved crystals for X and Gamma rays focusing

The efficiency of a Laue lens for X and Gamma ray focusing in the energy range 60 ÷ 600 keV is closely linked to the diffraction efficiency of the single crystals composing the lens. A powerful focusing system is crucial for applications like medical imaging and X ray astronomy where wide beams must be focused. Mosaic crystals with a high density, such as Cu or Au, and bent crystals with curved diffracting planes (CDP) are considered for the realization of a focusing system for X rays, owing to their high diffraction efficiency. In this work, a comparison of the efficiency of CDP crystals and mosaic crystals was performed on the basis of the theory of X-ray diffraction. Si, GaAs and Ge CDP crystals with optimized thicknesses and moderate radii of curvature of several tens of metres demonstrate comparable or superior performance with respect to the higher atomic number mosaic crystals generally used. A simplified approach for calculating the integrated reflectivity of the crystals is applied. A bending technique used during this work to realize CDP crystals consists in a controlled surface damaging induced by a mechanical lapping process. A compressive strained layer of few micrometres in thickness is generated and causes the convex curvature of the damaged side of the crystal. Another new bending technique is developed and the main results are shown. The process consists on a film deposition of a selected bi-component epoxy resin on one side of crystal, made uniform in thickness by mean of a spin-coater. Choosing the speed of spin-coating, so changing the thickness of the film, a control of radius of curvature can be obtained. Moreover the possibility to combine the two bending technique to obtain CDP crystal with a stronger curvature in rather thick crystals was demonstrated. Detailed characterization of Si, and GaAs CDP crystals at low and high x-ray energies are performed on flat and bent crystals obtained with the damaging and the resin deposition technique. As expected an increase of diffraction efficiency in asymmetrical diffraction geometry in CDP crystals with respect to the flat ones is observed. On the other hand an unexpected increase of the integrated intensity in symmetrical geometry, not predicted by the theory, is observed in all the measurements performed with different set up. The experimental trend of the integrated reflectivity as a function of the radius of curvature is in a good agreement with that predicted by the theory of bent perfect crystals, so it is possible to conclude that the surface damage has a limited effect on the crystal reflectivity. A study of the integrated reflectivity in the energy range of interest (100÷350 keV) in CDP crystals realized with damaging and resin deposition technique at symmetrical and asymmetrical geometries was performed at ILL Institute. Also at these energies the diffraction efficiency of bent crystals was much larger (a 12 time increase is observed for bent crystals in asymmetrical 111 geometry) than that measured in flat crystals. The diffraction efficiency of CDP crystals realized with both techniques tends to coincide with that of flat crystals at very high energies (> 200 keV). This suggesting that also real flat perfect crystals can be considered as strongly bent or mosaic crystals at very high X ray energies.

Supramolecular coordination complexes as building blocks for porous and magnetic materials

In this work, new coordination polymers based on two different classes of synthons are presented. In addition, manganese-based metallacrowns of magnetic interest are studied, both in the solid state and in solution. Firstly, functionalized bispyrazolylmethane derivatives are employed as bridging ligands for the establishment of silver-based coordination polymers; the influence of the substituent groups and of the counterions on the supramolecular packing is also investigated. Secondly, the use of metallacrown (MC) complexes as building blocks for porous coordination polymers is discussed. The design of a new metallacrown species is presented, which shows the tendency of aggregating in the solid state to form coordination polymers. Two new coordination polymers are indeed reported, of which one is the first MC-based permanently porous coordination network ever presented. The solid resists solvent evacuation and exhibits gas uptake ability. Furthermore, the isolation and characterization of a new metallacryptate species based on manganese ions is described. The metal-rich structure comprises nine Mn(II)/Mn(III) ions and presents an inverse metallacrown core subunit that binds a μ3-O2- ion. The metallacryptate is isolated in high yields and stable in solution. Lastly, a family of 3d-4f heterometallic metallacrowns is characterized in solution by means of UV-Vis spectrophotometry and of paramagnetically shifted 1H-NMR. The lanthanide-induced shifts observed in the spectra are employed to describe the molecules behaviour in solution and are qualitatively related to the magnetic properties of the compounds.

Phosphonate and quinoxaline cavitands for molecular recognition and sensing

In the last decade, phosphonate and quinoxaline cavitand have been extensively studied, highlighting their outstanding recognition properties. Their successful applications in material science and sensing open the way to new potential applications, such as border security, environmental monitoring and chiral recognition. The present thesis explores the recognition properties of phosphonate and quinoxaline cavitands towards new targets, for molecular recognition and sensing applications. Chapter 2 highlights the enantioselective behavior of phosphonate cavitands towards chiral guests in the solid state and in solution. Phosphonate cavitands were exploited for the molecular recognition of L-lactic acid (chapter 3), a widespread natural molecule which offer multiple potential applications, and a human sweat marker used for the detection of human presence (chapter 4). The second part is devoted to sensing applications of quinoxaline cavitands. Chapter 5 describes the use of QxCav for the preconcentration of drugs precursors, while chapter 6 reports the design, synthesis and grafting of a rigidified EtQxBox on a silicon wafer.

Behavioral expression of emotions and non-invasive assessment of physiological correlates in dogs (Canis familiaris)

The aim of this thesis was to validate the use of infrared thermography (IRT) to non-invasively measure emotional reactions to different situations in pet dogs (Canis familiaris). A preliminary test, aimed to evaluate the correlation between eye-temperature and rectal temperature in dog, was performed. Then, in three different situations, negative (veterinary visit), positive (palatable food rewards), and mildly stressing followed by mildly positive (separation from and reunion with the owner), variations in heat emitted from lacrimal caruncle (referred to as eye temperature) were measured with an infrared thermographic camera. In addition, heart rate and heart rate variability parameters were collected using a non-invasive heart rate monitor designed for human use and validated on dogs. All experiments were video recorded to allow behavioral coding. During the negative situation dogs’ level of activity and stress related behaviors varied across compared to the baseline and dogs showed an increase in eye temperature despite having a significant decrease in the level of activity. The positive situation was characterized by a peak in eye temperature and mean HR and dogs engaged in behaviors indicating a positive arousal, focusing on food treats and tail wagging but there were not variations in HRV during stimulation but only an increment in SDNN immediately after the stimulus. In the separation from and reunion with the owner dogs’ eye temperature and mean HR did not vary neither in the stressful nor in the positive situations, RMSSD increased after the positive episode, SDNN dropped during the two stimulations and it increased after the stimulations. During the separation from the owner dogs were mainly directed to the door or to the experimenter while during the reunion with the owner dogs were focused mainly on the owner and on the environment, exhibiting safe base effect. A different approach was used to assess the welfare of shelter dogs. Dogs were implanted with a telemeter and after implantation dogs were housed in sequence in four different situations lasting 1 week: alone, alone with toys and a stretch cot for sleeping, with an unknown, spayed, female, and alone with a daily 2-hours interaction with an experimenter. Two different approaches were tried: partially random extracted fragments from every week, behaviors from 8 a.m. to 4 p.m. were continuous during baseline and the female situation. Results showed different reactions by dogs to the different situations and interestingly not all enrichments were enjoyed by the dogs improving their welfare. Overall results suggest that IRT may represent a useful tool to investigate emotional reactions in dogs. Nevertheless, further research is needed to establish the specificity and sensivity of IRT in this context and to assess how different dogs’ characteristics, breed, previous experience and the valence and arousal elicited by the stimulus could influence the magnitude and type of the response. The role of HRV in understanding emotional valence and the one of telemeters in understanding long-term effects on sheltered dogs’ welfare is also discussed.

Role of the monkey ventrolateral prefrontal cortex in the integration of contextual information for the selection and understanding of goal-directed actions

Action selection and organization are very complex processes that need to exploit contextual information and the retrieval of previously memorized information, as well as the integration of these different types of data. On the basis of anatomical connection with premotor and parietal areas involved in action goal coding, and on the data about the literature it seems appropriate to suppose that one of the most candidate involved in the selection of neuronal pools for the selection and organization of intentional actions is the prefrontal cortex. We recorded single ventrolateral prefrontal (VLPF) neurons activity while monkeys performed simple and complex manipulative actions aimed at distinct final goals, by employing a modified and more strictly controlled version of the grasp-to-eat(a food pellet)/grasp-to-place(an object) paradigm used in previous studies on parietal (Fogassi et al., 2005) and premotor neurons (Bonini et al., 2010). With this task we have been able both to evaluate the processing and integration of distinct (visual and auditory) contextual sequentially presented information in order to select the forthcoming action to perform and to examine the possible presence of goal-related activity in this portion of cortex. Moreover, we performed an observation task to clarify the possible contribution of VLPF neurons to the understanding of others’ goal-directed actions. Simple Visuo Motor Task (sVMT). We found four main types of neurons: unimodal sensory-driven, motor-related, unimodal sensory-and-motor, and multisensory neurons. We found a substantial number of VLPF neurons showing both a motor-related discharge and a visual presentation response (sensory-and-motor neurons), with remarkable visuo-motor congruence for the preferred target. Interestingly the discharge of multisensory neurons reflected a behavioural decision independently from the sensory modality of the stimulus allowing the monkey to make it: some encoded a decision to act/refraining from acting (the majority), while others specified one among the four behavioural alternatives. Complex Visuo Motor Task (cVMT). The cVMT was similar to the sVMT, but included a further grasping motor act (grasping a lid in order to remove it, before grasping the target) and was run in two modalities: randomized and in blocks. Substantially, motor-related and sensory-and-motor neurons tested in the cVMTrandomized were activated already during the first grasping motor act, but the selectivity for one of the two graspable targets emerged only during the execution of the second grasping. In contrast, when the cVMT was run in block, almost all these neurons not only discharged during the first grasping motor act, but also displayed the same target selectivity showed in correspondence of the hand contact with the target. Observation Task (OT). A great part of the neurons active during the OT showed a firing rate modulation in correspondence with the action performed by the experimenter. Among them, we found neurons significantly activated during the observation of the experimenter’s action (action observation-related neurons) and neurons responding not only to the action observation, but also to the presented cue stimuli (sensory-and-action observation-related neurons. Among the neurons of the first set, almost the half displayed a target selectivity, with a not clear difference between the two presented targets; Concerning to the second neuronal set, sensory-and-action related neurons, we found a low target selectivity and a not strictly congruence between the selectivity exhibited in the visual response and in the action observation.

Application of Molecular Modelling studies to the search of novel approaches for neuroprotection and stem cells applications

Il lavoro di ricerca presentato in questa tesi di dottorato riguarda l'applicazione di studi di modellistica molecolare per l'individuazione di nuovi approcci farmacologici nel campo della neuroprotezione e del controllo della proliferazione di cellule staminali. Durante il mio dottorato di ricerca, mi sono concentrata sullo studio del sistema degli endocannabinoidi come target per lo sviluppo di nuovi trattamenti neuroprotettivi. In particolare, la mia ricerca ha avuto come obiettivo la modulazione dei livelli di 2-arachidonilglicerolo e arachidonil-etanolamide tramite l'inibizione degli enzimi MGL (monoglyceride lipase) e FAAH (fatty acid amide hydrolase). Il mio progetto di ricerca comprende anche studi di modellistica molecolare per l'individuazione di piccole molecole in grado di inibire il complesso proteina-proteina YAP-TEAD. Tale complesso, coinvolto nei sistemi di regolazione della proliferazione cellulare, rappresenta un target di cruciale importanza nel controllo della proliferazione e differenziazione di cellule staminali e, al tempo stesso, nel controllo dell'espansione tumorale

Validation of a new easy score to predict outcome in early stage renal cell carcinoma

Background e scopi dello studio. Il carcinoma renale rappresenta circa il 3% delle neoplasie e la sua incidenza è in aumento nel mondo. Il principale approccio terapeutico alla malattia in stadio precoce è rappresentato dalla chirurgia (nefrectomia parziale o radicale), sebbene circa il 30-40% dei pazienti vada incontro a recidiva di malattia dopo tale trattamento. La probabilità di recidivare può essere stimata per mezzo di alcuni noti modelli prognostici sviluppati integrando sia parametri clinici che anatomo-patologici. Il limite principale all’impiego nella pratica clinica di questi modelli è legata alla loro complessità di calcolo che li rende di difficile fruizione. Inoltre la stratificazione prognostica dei pazienti in questo ambito ha un ruolo rilevante nella pianificazione ed interpretazione dei risultati degli studi di terapia adiuvante dopo il trattamento chirurgico del carcinoma renale in stadio iniziale. Da un' analisi non pre-pianificata condotta nell’ambito di uno studio prospettico e randomizzato multicentrico italiano di recente pubblicazione, è stato sviluppato un nuovo modello predittivo e prognostico (“score”) che utilizza quattro semplici parametri: l’età del paziente, il grading istologico, lo stadio patologico del tumore (pT) e della componente linfonodale (pN). Lo scopo del presente studio era quello di validare esternamente tale score. Pazienti e Metodi. La validazione è stata condotta su due coorti retrospettive italiane (141 e 246 pazienti) e su una prospettica americana (1943 pazienti). Lo score testato prevedeva il confronto tra due gruppi di pazienti, uno a prognosi favorevole (pazienti con almeno due parametri positivi tra i seguenti: età < 60 anni, pT1-T3a, pN0, grading 1-2) e uno a prognosi sfavorevole (pazienti con meno di due fattori positivi). La statistica descrittiva è stata utilizzata per mostrare la distribuzione dei diversi parametri. Le analisi di sopravvivenza [recurrence free survival (RFS) e overall survival (OS)] sono state eseguite il metodo di Kaplan-Meier e le comparazioni tra i vari gruppi di pazienti sono state condotte utilizzando il Mantel-Haenszel log-rank test e il modello di regressione di Cox. Il metodo di Greenwood è stato utilizzato per stimare la varianza e la costruzione degli intervalli di confidenza al 95% (95% CI), la “C-statistic” è stata utilizzata per descrivere l’ accuratezza dello score. Risultati. I risultati della validazione dello score condotta sulle due casistiche retrospettive italiane, seppur non mostrando una differenza statisticamente significativa tra i due gruppi di pazienti (gruppo favorevole versus sfavorevole), sono stati ritenuti incoraggianti e meritevoli di ulteriore validazione sulla casistica prospettica americana. Lo score ha dimostrato di performare bene sia nel determinare la prognosi in termini di RFS [hazard ratio (HR) 1.85, 95% CI 1.57-2.17, p < 0.001] che di OS [HR 2.58, 95% CI 1.98-3.35, p < 0.001]. Inoltre in questa casistica lo score ha realizzato risultati sovrapponibili a quelli dello University of California Los Angeles Integrated Staging System. Conclusioni. Questo nuovo e semplice score ha dimostrato la sua validità in altre casistiche, sia retrospettive che prospettiche, in termini di impatto prognostico su RFS e OS. Ulteriori validazioni su casistiche internazionali sono in corso per confermare i risultati qui presentati e per testare l’eventuale ruolo predittivo di questo nuovo score.

Stress management in mothers of children with Autism Spectrum Disorder : psychological characteristics, coping strategies and biological correlates

Un figlio con un Disturbo dello Spettro Autistico, caratterizzato da gravi difficoltà nelle relazioni, nei comportamenti e nella comunicazione, costringe tutto il sistema familiare a gestire un notevole stress dovuto alla gestione quotidiana di una patologia così complessa. Per questi motivi, i genitori necessitano di un sostegno il più possibile personalizzato rispetto alle caratteristiche del loro contesto familiare. Per fare questo sarebbe importante individuare quali siano i parametri correlati ai livelli di stress nei familiari di pazienti con autismo e che potrebbero avere un’influenza sul benessere familiare. Lo scopo di questo studio è quello di valutare quali caratteristiche di personalità, stili di coping e capacità di gestire le emozioni possano essere in relazione con la reattività individuale alle situazioni di stress, valutata attraverso alcuni correlati biologici, quali il livello di cortisolo (l’ormone dello stress) e la variabilità della frequenza cardiaca. L’ottica di ricerca applicata fa sì che gli obiettivi ultimi di questo lavoro siano anche quelli di diminuire l’accesso ai servizi per questi soggetti, considerando il fatto che progetti individualizzati di sostegno genitoriale costituiscono un fattore protettivo rispetto a conseguenze fisiche e psicologiche di disagio se implementati tenendo conto della variabilità individuale rispetto alle caratteristiche sopra citate.

Stabilization of APIs and nutraceuticals through cocrystallization and molecular confinement

Cocrystallization of the molecule of interest could be a smart and dainty way to tune solubility properties of solid phases leaving the molecule chemically unchanged, hence it is widely investigated by companies and by solid state scientists. Despite of this extremely high interest towards cocrystallization no particular emphasis has been paid to using it as a means to stabilize liquid molecules. In this work we define a benchmark of relevant molecules for human health that have been combined with suitable partners according to crystal engineering methods in order to obtain cocrystals. Solubility properties in different solvents of cocrystals new solid phases have been tested and compared to the properties of the drugs. A further approach to deal with volatile compounds is molecular confinement inside molecular scaffold. Nowadays metal organic frameworks (MOFs) are studied in many fields ranging from catalysis to trapping or storage of gases, such as hydrogen, methane, CO2 thanks to their extremely high porosity. Our goal is to confine liquid guests of biological relevance inside MOF pores, monitoring via X-ray diffraction, spectroscopy and thermal analysis the stabilization of the molecule of interest inside the cavities.

Particle engineering for the production of respirable dry powder formulations

Hyaluronan (HA) plays an important role in lung pathophysiology. For this reason it has attracted great attention both as active ingredient and as excipient in treating lung diseases by direct pulmonary HA administration. The aim was the production of highly respirable and flowable HA powders either as a potential carrier for drug delivery or for being delivered directly by inhalation. Engineered sodium hyaluronate powders were produced by spray-drying technique. All the spray-dried powders were characterised in terms of particle size distribution, drug content, morphology and in vitro respirability. HA was successfully formulated with salbutamol sulphate in combination with leucine and highlighted remarkable aerodynamic performance (emitted dose equal to 83 % and FPF % equal to 97.1%). Moreover, HA colloidal solutions were designed and they were spray-dried. In order to improve particle aerodynamic characteristics, different types of excipients were investigated. In particular, stearylamine (5% w/w) allowed to obtain the best performance throughout the experimental set. Finally, in vitro biocompatibility was carried out by MTT assay and High Content Analysis for selected dry powder formulations and starting materials. The assays demonstrated the same outcome by confirming the HA biocompatibility and by producing the same rank of toxicity for the surfactants. The general conclusion of the project is that formulation containing HA and stearyl alcohol represents the best performing formulation.

Novel microbicidal agents derived from Naja atra cardiotoxin 1 (CTX-1)

During my PhD course, I focused my research on antimicrobial peptides (AMPs), in particular on the aspects of their computational design and development. This work led to the development of a new family of AMPs that I designed, starting from the amino acid sequence of a snake venom toxin, the cardiotoxin 1 (CTX-1) of Naja atra. Naja atra atra cardiotoxin 1, produced by Chinese cobra snakes belonging to Elapidae family, is included in the three-finger toxin family and exerts high cytotoxicity and antimicrobial activity too. This toxin family is characterized by specific folding of three beta-sheet loops (“fingers”) extending from the central core and by four conserved disulfide bridges. Using as template the first loop of this toxin, different sequences of 20 amino acids linear cationic peptides have been designed in order to avoid toxic effects but to maintain and strengthen the antimicrobial activity. As a result, the sequence NCP-0 (Naja Cardiotoxin Peptide-0) was designed as ancestor and subsequently other 4 variant sequences of NCP0 were developed. These variant sequences have shown microbicidal activity towards a panel of reference strains of Gram-positive and Gram-negative bacteria, fungi and an enveloped virus. In particular, the sequence designed as NCP-3 (Naja Cardiotoxin Peptide-3) and its variants NCP-3a and NCP-3b have shown the best antimicrobial activity together with low cytotoxicity against eukaryotic cells and low hemolytic activity. Bactericidal activity has been demonstrated by minimum bactericidal concentration (MBC) assay at values below 10 μg/ml for Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Acinetobacter baumannii ( clinical isolates), Moraxella catharralis ATCC 25238, MRSA ATCC 43400, while towards Staphylococcus aureus ATCC 25923, Enterococcus hirae ATCC 10541 and Streptococcus agalactiae ATCC 13813 the bactericidal activity was demonstrated even below 1.6 μg/ml concentration. This potent antimicrobial activity was confirmed even for unicellular fungi Candida albicans, Candida glabrata and Malassezia pachydermatis (MBC 32.26-6.4 μg/ml), and also against the fast-growing mycobacteria Mycobacterium smegmatis DSMZ 43756 and Mycobacterium fortuitum DSMZ 46621 (MBC 100 μg/ml). Moreover, NCP-3 has shown a virucidal activity on the enveloped virus Bovine Herpesvirus 1 (BoHV1) belonging to herpesviridae family. The bactericidal activity is maintained in a high salt concentration (125 and 250 mM NaCl) medium and PB +20% Mueller Hinton Medium for E. coli, MRSA and Pseudomonas aeruginosa reference strains. Considering these in vitro obtained data, we propose NCP-3 and its variants NCP-3a and NCP-3b as promising antimicrobial candidates. For this reason, the whole novel AMPs family has been protected by a national patent (n°102015000015951).

Machiavelli's reading of Aristotle. A Reassessment

La tesi si propone di dimostrare la presenza e l'utilizzo nel pensiero di Niccolò Machiavelli di categorie e concettualizzazioni derivate dalla riflessione aristotelica.

Study of interaction between Si(O,C) nanowires and the biological system

Nanomedicine is a new branch of medicine, based on the potentiality and intrinsic properties of nanomaterials. Indeed, the nanomaterials ( i.e. the materials with nano and under micron size) can be suitable to different applications in biomedicine. The nanostructures can be used by taking advantage of their properties (for example superparamagnetic nanoparticles) or functionalized to deliver the drug in a specific target, thanks the ability to cross biological barriers. The size and the shape of 1D-nanostructures (nanotubes and nanowires) have an important role on the cell fate: their morphology plays a key role on the interaction between nanostructure and the biological system. For this reason the 1D nanostructure are interesting for their ability to mime the biological system. An implantable material or device must therefore integrate with the surrounding extracellular matrix (ECM), a complex network of proteins with structural and signaling properties. Innovative techniques allow the generation of complex surface patterns that can resemble the structure of the ECM, such as 1D nanostructures. NWs based on cubic silicon carbide (3C-SiC), either bare (3C-SiC NWs) or surrounded by an amorphous shell (3C-SiC/SiO2 core/shell NWs), and silicon oxycarbide nanowires (SiOxCy NWs) can meet the chemical, mechanical and electrical requirements for tissue engineering and have a strong potential to pave the way for the development of a novel generation of implantable nano-devices. Silicon oxycarbide shows promising physical and chemical properties as elastic modulus, bending strength and hardness, chemical durability superior to conventional silicate glasses in aggressive environments and high temperature stability up to 1300 °C. Moreover, it can easily be engineered through functionalization and decoration with macro-molecules and nanoparticles. Silicon carbide has been extensively studied for applications in harsh conditions, as chemical environment, high electric field and high and low temperature, owing to its high hardness, high thermal conductivity, chemical inertness and high electron mobility. Also, its cubic polytype (3C) is highly biocompatible and hemocompatible, and some prototypes of biomedical applications and biomedical devices have been already realized starting from 3C-SiC thin films. Cubic SiC-based NWs can be used as a biomimetic biomaterial, providing a robust and novel biocompatible biological interface . We cultured in vitro A549 human lung adenocarcinoma epithelial cells and L929 murine fibroblast cells over core/shell SiC/SiO2, SiOxCy and bare 3C-SiC nanowire platforms, and analysed the cytotoxicity, by indirect and direct contact tests, the cell adhesion, and the cell proliferation. These studies showed that all the nanowires are biocompatible according to ISO 10993 standards. We evaluated the blood compatibility through the interaction of the nanowires with platelet rich plasma. The adhesion and activation of platelets on the nanowire bundles, assessed via SEM imaging and soluble P-selectin quantification, indicated that a higher platelet activation is induced by the core/shell structures compared to the bare ones. Further, platelet activation is higher with 3C-SiC/SiO2 NWs and SiOxCyNWs, which therefore appear suitable in view of possible tissue regeneration. On the contrary, bare 3C-SiC NWs show a lower platelet activation and are therefore promising in view of implantable bioelectronics devices, as cardiovascular implantable devices. The NWs properties are suitable to allow the design of a novel subretinal Micro Device (MD). This devices is based on Si NWs and PEDOT:PSS, though the well know principle of the hybrid ordered bulk heterojunction (OBHJ). The aim is to develop a device based on a well-established photovoltaic technology and to adapt this know-how to the prosthetic field. The hybrid OBHJ allows to form a radial p–n junction on a nanowire/organic structure. In addition, the nanowires increase the light absorption by means of light scattering effects: a nanowires based p-n junction increases the light absorption up to the 80%, as previously demonstrated, overcoming the Shockley-Queisser limit of 30 % of a bulk p-n junction. Another interesting employment of these NWs is to design of a SiC based epicardial-interacting patch based on teflon that include SiC nanowires. . Such contact patch can bridge the electric conduction across the cardiac infarct as nanowires can ‘sense’ the direction of the wavefront propagation on the survival cardiac tissue and transmit it to the downstream surivived regions without discontinuity. The SiC NWs are tested in terms of toxicology, biocompatibility and conductance among cardiomyocytes and myofibroblasts.

Biochemical characterization and DNA binding properties of the MocR family member GabR, a PLP-dependent transcription factor

GabR è un fattore di trascrizione chimerico appartenente alla famiglia dei MocR/GabR, costituito da un dominio N-terminale elica-giro-elica di legame al DNA e un dominio effettore e/o di oligomerizzazione al C-terminale. I due domini sono connessi da un linker flessibile di 29 aminoacidi. Il dominio C-terminale è strutturalmente omologo agli enzimi aminotransferasici fold-type I, i quali, utilizzando il piridossal-5’-fosfato (PLP) come cofattore, sono direttamente coinvolti nel metabolismo degli aminoacidi. L’interazione contemporanea di PLP e acido γ-aminobutirrico (GABA) a GabR fa sì che questa promuova la trascrizione di due geni, gabT e gabD, implicati nel metabolismo del GABA. GabR cristallizza come un omodimero con una configurazione testa-coda. Il legame con la regione promotrice gabTD avviene attraverso il riconoscimento specifico di due sequenze dirette e ripetute (ATACCA), separate da uno spacer di 34 bp. In questo studio sono state indagate le proprietà biochimiche, strutturali e di legame al DNA della proteina GabR di Bacillus subtilis. L’analisi spettroscopica dimostra che GabR interagisce con il PLP formando l’aldimina interna, mentre in presenza di GABA si ottiene l’aldimina esterna. L’interazione fra il promotore gabTD e le forme holo e apo di GabR è stata monitorata mediante Microscopia a Forza atomica (AFM). In queste due condizioni di legame è stata stimata una Kd di circa 40 ηM. La presenza di GABA invece, determinava un incremento di circa due volte della Kd, variazioni strutturali nei complessi GabR-DNA e una riduzione del compattamento del DNA alla proteina, indipendentemente dalla sequenza del promotore in esame. Al fine di valutare il ruolo delle caratteristiche topologiche del promotore, sono state inserite cinque e dieci bp all’interno della regione spacer che separa le due sequenze ripetute dirette riconosciute da GabR. I significativi cambiamenti topologici riscontrati nel frammento aggiunto di cinque bp si riflettono anche sulla forte riduzione dell’affinità di legame verso la proteina. Al contrario, l’inserzione di 10 bp provoca solamente l’allontanamento delle sequenze ripetute dirette. L’assenza quindi di cambiamenti significativi nella topologia di questo promotore fa sì che l’affinità di legame per GabR rimanga pressoché inalterata rispetto al promotore non mutato. L’analisi del potenziale elettrostatico superficiale di GabR mostra la presenza di una fascia carica positivamente che si estende lungo un’intera faccia della proteina. Per verificare l’importanza di questa caratteristica di GabR nel meccanismo di interazione al DNA, sono stati preparati ed indagati i mutanti R129Q e K362-366Q, in cui la carica positiva superficiale risultava indebolita. L’affinità di legame dei mutanti di GabR per il DNA era inferiore rispetto alla proteina non mutata, in particolar modo nel mutante K362-366Q. Le evidenze acquisite suggeriscono che la curvatura intrinseca del promotore ed il corretto orientamento delle sequenze sulla doppia elica, più della distanza che le separa, siano critici per sostenere l’interazione con GabR. Oltre a questo, la superficie positiva di GabR è richiesta per accomodare la curvatura del DNA sul corpo della proteina. Alla luce di questo, l’interazione GabR-gabTD è un esempio di come il riconoscimento specifico di sequenze, la topologia del DNA e le caratteristiche strutturali della proteina siano contemporaneamente necessarie per sostenere un’interazione proteina-DNA stabile.

Identification and characterization of periplasmic proteins implicated in the adaptation of Helicobacter pylori to the human gastric niche

Helicobacter pylori è un batterio Gram-negativo in grado di colonizzare la mucosa gastrica umana e persistere per l'intero arco della vita dell'ospite. E' associato a patologie gastrointestinali, quali gastrite cronica, ulcere gastriche e duodenali, adenocarcinomi e linfomi gastrici. Si tratta di uno dei patogeni più diffusi, presente in circa metà della popolazione mondiale, e il solo che si è adattato a vivere nell'ambiente ostile dello stomaco umano. Molteplici sono i fattori di virulenza che permettono al batterio la colonizzazione della nicchia gastrica e contribuiscono, anche attraverso l' induzione di una risposta infiammatoria, a profonde modificazioni dell' omeostasi gastrica. Queste ultime si associano, ad esempio, all'iperproduzione di fattori proinfiammatori, ad alterazioni sia della regolazione della secrezione acida gastrica sia del ciclo cellulare e della morte cellulare programmata (apoptosi) delle cellule epiteliali gastriche, a disordini nel metabolismo del ferro e a carenze di elementi essenziali. Studi sulla diversità genetica di H. pylori osservata in ceppi isolati da varie regioni del mondo, dimostrano che tale batterio ha avuto una coevoluzione col genere umano attraverso la storia, ed è verosimile che H. pylori sia stato un costituente del microbiota gastrico per almeno 50.000 anni. Scopo della tesi è stato quello di identificare e caratterizzare proteine importanti per la colonizzazione e l'adattamento di H. pylori alla nicchia gastrica. In particolare gli sforzi si sono concentrati su due proteine periplasmatiche, la prima coinvolta nella difesa antiossidante (l'enzima catalasi-like, HP0485), e la seconda nel trasporto di nutrienti presenti nell'ambiente dello stomaco all'interno della cellula (la componente solubile di un ABC transporter, HP0298). La strategia utilizzata prevede un'analisi bioinformatica preliminare, l'ottenimento del gene per amplificazione, mediante PCR, dal genoma dell'organismo, la costruzione di un vettore per il clonaggio, l'espressione eterologa in E. coli e la successiva purificazione. La proteina così ottenuta viene caratterizzata mediante diverse tecniche, quali spettroscopia UV, dicroismo circolare, gel filtrazione analitica, spettrometria di massa. Il capitolo 1 contiene un'introduzione generale sul batterio, il capitolo 2 e il capitolo 3 descrivono gli studi relativi alle due proteine e sono entrambi suddivisi in un abstract iniziale, un'introduzione, la presentazione dei risultati, la discussione di questi ultimi, i materiali e i metodi utilizzati. La catalasi-like (HP0485) è una proteina periplasmatica con struttura monomerica, appartenente ad una famiglia di enzimi a funzione per la maggior parte sconosciuta, ma evolutivamente correlati alla ben nota catalasi, attore fondamentale nella difesa di H. pylori, grazie alla sua azione specifica di rimozione dell'acqua ossigenata. HP0485, pur conservando il fold catalasico e il legame al cofattore eme, non può compiere la reazione di dismutazione dell'acqua ossigenata; possiede invece un'attività perossidasica ad ampio spettro, essendo in grado di accoppiare la riduzione del perossido di idrogeno all'ossidazione di diversi substrati. Come la catalasi, lavora ad alte concentrazioni di aqua ossigenata e non arriva a saturazione a concentrazioni molto elevate di questo substrato (200 mM); la velocità di reazione catalizzata rimane lineare anche a questi valori, aspetto che la differenzia dalle perossidasi che vengono in genere inattivate da concentrazioni di perossido di idrogeno superiori a 10-50 mM. Queste caratteristiche di versatilità e robustezza suggeriscono che la catalasi-like abbia un ruolo di scavenger dell'acqua ossigenata e probabilmente anche un'altra funzione connessa al suo secondo substrato, ossia l'ossidazione di composti nello spazio periplasmatico cellulare. Oltre alla caratterizzazione dell'attività è descritta anche la presenza di un ponte disolfuro, conservato nelle catalasi-like periplasmatiche, con un ruolo nell'assemblaggio dell'eme per ottenere un enzima attivo e funzionale. La proteina periplasmatica HP0298, componente di un sistema di trasporto ABC, è classificata come trasportatore di dipeptidi e appartiene a una famiglia di proteine in grado di legare diversi substrati, tra cui di- e oligopeptidi, nichel, eme, glutatione. Benchè tutte associate a trasportatori di membrana batterici, queste proteine presentano un dominio di legame al substrato che risulta essere conservato nei domini extracellulari di recettori specifici di mammifero e uomo. Un esempio sono i recettori ionotropici e metabotropici del sistema nervoso. Per caratterizzare questa proteina è stato messo a punto un protocollo di ligand-fishing accoppiato alla spettrometria di massa. La proteina purificata, avente un tag di istidine, è stata incubata con un estratto cellulare di H. pylori per poter interagire con il suo substrato specifico all'interno dell'ambiente naturale in cui avviene il legame. Il complesso proteina-ligando è stato poi purificato per cromatografia di affinità e analizzato mediante HPLC-MS. L'identificazione dei picchi differenziali tra campioni con la proteina e 5 campioni di controllo ha portato alla caratterizzazione di pentapeptidi particolarmente ricchi in aminoacidi idrofobici e con almeno un residuo carico negativamente. Considerando che H. pylori necessita di alcuni aminoacidi essenziali, per la maggior parte idrofobici, e che lo stomaco umano è particolarmente ricco di peptidi prodotti dalla digestione delle proteine introdotte con il cibo, il ruolo fisiologico di HP0298 potrebbe essere l'internalizzazione di peptidi, con caratteristiche specifiche di lunghezza e composizione, che sono naturalmente presenti nella nicchia gastrica.