Multicelled Behaviour in E. coli: Design and experimental characterization of an engineered library of hybrid promoters.

Synthetic biology has recently had a great development, many papers have been published and many applications have been presented, spanning from the production of biopharmacheuticals to the synthesis of bioenergetic substrates or industrial catalysts. But, despite these advances, most of the applications are quite simple and don’t fully exploit the potential of this discipline. This limitation in complexity has many causes, like the incomplete characterization of some components, or the intrinsic variability of the biological systems, but one of the most important reasons is the incapability of the cell to sustain the additional metabolic burden introduced by a complex circuit. The objective of the project, of which this work is part, is trying to solve this problem through the engineering of a multicellular behaviour in prokaryotic cells. This system will introduce a cooperative behaviour that will allow to implement complex functionalities, that can’t be obtained with a single cell. In particular the goal is to implement the Leader Election, this procedure has been firstly devised in the field of distributed computing, to identify the process that allow to identify a single process as organizer and coordinator of a series of tasks assigned to the whole population. The election of the Leader greatly simplifies the computation providing a centralized control. Further- more this system may even be useful to evolutionary studies that aims to explain how complex organisms evolved from unicellular systems. The work presented here describes, in particular, the design and the experimental characterization of a component of the circuit that solves the Leader Election problem. This module, composed of an hybrid promoter and a gene, is activated in the non-leader cells after receiving the signal that a leader is present in the colony. The most important element, in this case, is the hybrid promoter, it has been realized in different versions, applying the heuristic rules stated in [22], and their activity has been experimentally tested. The objective of the experimental characterization was to test the response of the genetic circuit to the introduction, in the cellular environment, of particular molecules, inducers, that can be considered inputs of the system. The desired behaviour is similar to the one of a logic AND gate in which the exit, represented by the luminous signal produced by a fluorescent protein, is one only in presence of both inducers. The robustness and the stability of this behaviour have been tested by changing the concentration of the input signals and building dose response curves. From these data it is possible to conclude that the analysed constructs have an AND-like behaviour over a wide range of inducers’ concentrations, even if it is possible to identify many differences in the expression profiles of the different constructs. This variability accounts for the fact that the input and the output signals are continuous, and so their binary representation isn’t able to capture the complexity of the behaviour. The module of the circuit that has been considered in this analysis has a fundamental role in the realization of the intercellular communication system that is necessary for the cooperative behaviour to take place. For this reason, the second phase of the characterization has been focused on the analysis of the signal transmission. In particular, the interaction between this element and the one that is responsible for emitting the chemical signal has been tested. The desired behaviour is still similar to a logic AND, since, even in this case, the exit signal is determined by the hybrid promoter activity. The experimental results have demonstrated that the systems behave correctly, even if there is still a substantial variability between them. The dose response curves highlighted that stricter constrains on the inducers concentrations need to be imposed in order to obtain a clear separation between the two levels of expression. In the conclusive chapter the DNA sequences of the hybrid promoters are analysed, trying to identify the regulatory elements that are most important for the determination of the gene expression. Given the available data it wasn’t possible to draw definitive conclusions. In the end, few considerations on promoter engineering and complex circuits realization are presented. This section aims to briefly recall some of the problems outlined in the introduction and provide a few possible solutions.

Misure di segnali fluorescenti per l'analisi in microscopia dell'espressione genica in biologia sintetica

Protocolli e metodologie di caratterizzazione di un sistema di misura di segnali fluorescenti in microscopia ottica

Modellizzazione numerica e caratterizzazione sperimentale di macchine e componenti oleodinamici

Nella prima parte di questa tesi di dottorato sono presentate le attività svolte, di carattere numerico, ai fini della modellizzazione di macchine volumetriche ad ingranaggi esterni. In particolare viene dapprima presentato un modello a parametri concentrati utilizzato per l’analisi dei fenomeni che coinvolgono l’area di ingranamento della macchina; un codice di calcolo associato al modello è stato sviluppato ed utilizzato per la determinazione dell’influenza delle condizioni di funzionamento e delle caratteristiche geometriche della macchina sulle sovra-pressioni e sull’eventuale instaurarsi della cavitazione nei volumi tra i denti che si trovano nell’area di ingranamento. In seguito vengono presentati i risultati ottenuti dall’analisi del bilanciamento assiale di diverse unità commerciali, evidenziando l’influenza delle caratteristiche geometriche delle fiancate di bilanciamento; a questo proposito, viene presentato anche un semplice modello a parametri concentrati per valutare il rendimento volumetrico della macchina ad ingranaggi esterni, con l’intenzione di usare tale parametro quale indice qualitativo della bontà del bilanciamento assiale. Infine, viene presentato un modello completo della macchina ad ingranaggi esterni, realizzato in un software commerciale a parametri concentrati, che permette di analizzare nel dettaglio il funzionamento della macchina e di studiare anche l’interazione della stessa con il circuito idraulico in cui è inserita. Nella seconda parte della tesi si presentano le attività legate alla messa in funzione di due banchi prova idraulici per la caratterizzazione sperimentale di macchine volumetriche e componenti di regolazione, con particolare attenzione dedicata alla messa a punto del sistema di acquisizione e gestione dei dati sperimentali; si presentano infine i risultati di alcune prove eseguite su componenti di regolazione e macchine volumetriche.

Caratterizzazione sperimentale di dispositivi antivibranti e ottimizzazione del loro impiego su un auto da F1

Studio di alcuni dispositivi presenti nelle vetture di formula 1, ma anche in quelle di serie più comuni, per l’ancoraggio e per l’isolamento delle vibrazioni fra componentistiche elettriche e telaio del veicolo. Questi dispositivi, noti come antivibranti (AV), svolgono un ruolo essenziale nel cercare di preservare i dispositivi elettrici: centraline, scatole cablate e connessioni elettriche. Il diffondersi di strumentazione adeguata a costi non più proibitivi ha permesso di studiare più in dettaglio e più scientificamente il comportamento degli AV per sfruttarli al meglio. Obiettivo di questo studio è dare una caratterizzazione scientifica e rigorosa alla maggior parte degli antivibranti presenti in STR7 monoposto Toro Rosso (mondiale di F1 2012), buona parte dei quali verrà utilizzata anche nelle successive vetture. Si volevano, inoltre, sviluppare alcuni modelli che potessero simulare correttamente montaggi di centraline generiche con tutte le diverse tipologie di antivibranti, in modo tale da poter vedere, prima ancora di realizzarli, come si comportavano i sistemi in quelle condizioni e dunque poter apportare modifiche al progetto tali da ottenere la configurazione di montaggio migliore. La continua ricerca di miglioramenti prestazionali che una competizione motoristica ad altissimi livelli richiede, il costante bisogno di alleggerimenti e maggiore affidabilità spingono la ricerca e l'azienda voleva passare da una progettazione basata sulla ripetizione delle configurazioni dimostratesi affidabili nel passato ad una progettazione più tecnica, scientifica e prestazionale. Per una buona caratterizzazione delle proprietà degli antivibranti sono stati progettati specifici test da eseguire al banco vibrante con i quali, lavorando nel dominio delle frequenze, si sono sfruttate le funzioni di risposte in frequenze di ogni antivibrante per ricavare i parametri caratteristici degli stessi nelle varie configurazioni. Con strategie grafiche, numeriche e teoriche si sono ricavati, con buone precisioni, i valori dei coefficienti di smorzamento e di rigidezza che caratterizzano i componenti studiati. Per l’esecuzione di questi test sono stati utilizati tutti gli strumenti messi a disposizione da Scuderia Toro Rosso nel laboratorio per prove vibrazionali recentemente approntato. Per la parte di simulazione numerica invece sono stati sfruttati i risultati ottenuti nella caratterizzazione degli antivibranti per creare programmi in ambiente Matlab che possano simulare il comportamento di generiche centraline montate in generici modi. Risultati di questo studio saranno gli andamenti dei coefficienti di rigidezza e smorzamento dei vari antivibranti nelle diverse configurazioni; inoltre si renderanno disponibili ai progettisti istruzioni e semplici programmi per la valutazione delle scelte fatte al fine di minimizzare le vibrazioni dei dispositivi.

Caratterizzazione sperimentale delle proprietà elettromagnetiche di materiali plastici mediante metodi risonanti

In questa tesi è stato affrontato un metodo sperimentale per la caratterizzazione elettromagnetica di un materiale plastico, ovvero l'acetato di cellulosa, fornito all'Università da una azienda della regione interessata ad un futuro impiego dell'acetato come materiale principale nelle "cover" di smartphone di ultima generazione. Il fine principale è quello di determinare le principali proprietà dielettriche del materiale, ovvero la permettività relativa o costante dielettrica e il fattore di dissipazione, o tangente di perdita, la cui conoscenza risulta il primo passo per per lo scopo iniziale dell'azienda. Il metodo impiegato fa uso di un risonatore in microstriscia a T, dato che il pattern della metallizzazione superiore assume questa forma. In questa tecnica avviene un confronto tra un prototipo reale di riferimento analizzato con VNA e un modello dello stesso risonatore realizzato all'interno del simulatore elettromagnetico CST, in particolare un confronto tra le frequenze di risonanza dei due casi, ricavate dall'andamento risonante dell'ampiezza di S21. I valori di permettività relativa e tangente di perdita vengono ricavati realizzando una moltitudine di simulazioni con CST fino a trovare il modello più simile al prototipo reale.

Caratterizzazione sperimentale di parametri spaziotemporali nella corsa su treadmill

Lo scopo della tesi è verificare se esiste nell’uomo una correlazione tra le velocità preferite di corsa\cammino e i parametri antropometrici, e inoltre dare un significato ai segnali acquisiti dall’analisi del passo tramite uno strumento in fase di sviluppo. Sono stati reclutati 20 soggetti mediamente allenati e suddivisi equamente per sesso. I soggetti sono stati sottoposti ad un protocollo di test motori su treadmill diviso in due parti. I dati del primo test sono stati acquisiti manualmente mentre i dati del secondo test sono stati acquisiti da uno strumento e inviati a remoto. L’elaborazione dei risultati di entrambi i test è stata effettuata utilizzando i software Microsoft Excell e Matlab R2010a. Dai dati è emerso un trend significativo per le velocità di corsa in funzione delle altezze, ma non per quelle di cammino. Per le seconde è stata invece riscontrata una netta differenza tra soggetti maschili e femminili che ha portato a classificare i due sessi separatamente. I parametri riguardanti l’analisi del passo del secondo test sono risultati qualitativamente accettabili e confrontabili con la letteratura, ma sarà necessaria una futura validazione sperimentale per la conferma scientifica.

Caratterizzazione sperimentale di trasduttori piezoelettrici mediante circuiti equivalenti elettromeccanici

Attualmente la costante diffusione delle sensor network e lo sviluppo di apparati elettronici a basso consumo di energia hanno fatto in modo di motivare la ricerca nel campo dell’elettronica che tenta di spiegare il concetto dell'energy harvesting per raccogliere energia dall'ambiente circostante. I sistemi che raccolgono quella energia che normalmente va persa sono di diversi tipi.

Caratterizzazione sperimentale di materiali compositi soggetti ad impatto sul bordo

Il materiale composito è entrato nell’ambiente industriale rivoluzionando il concetto di progettazione delle strutture e permettendo il raggiungimento di prestazioni molto più elevate, rispetto ai materiali tradizionali. Infatti, i compositi sono in grado di garantire elevata resistenza e leggerezza, proprietà molto richieste in svariati ambiti industriali. Un suo notevole impiego è riscontrabile nell’industria aeronautica, dove le principali case produttrici di aeromobili hanno investito un apprezzabile quantitativo di risorse economiche nella realizzazione di velivoli con una sempre maggiore percentuale di questo materiale. Il composito, nonostante ci siano testimonianze del suo utilizzo già durante la seconda guerra mondiale, viene tutt’ora ritenuto “nuovo”; questo poiché molte delle sue caratteristiche non sono state ancora esaurientemente analizzate. Le conoscenze ad esso relative presentano ancora, infatti delle lacune, come il loro comportamento a seguito di un impatto. L’obiettivo della presente tesi è quello di indagare, attraverso una campagna sperimentale innovativa, il comportamento del CFRP di fronte a tale problematica, prestando particolare attenzione alla casistica dell’impatto sul bordo. Su tale argomento infatti, non si hanno esempi in letteratura né normative a cui fare riferimento. I campioni, impiegati nel presente studio, sono stati realizzati scegliendo una configurazione cross-ply, che ben si adatta alle successive fasi della campagna. Sui provini ottenuti sono stati eseguiti gli impatti, con l’utilizzo di un pendolo di Charpy, alcuni centrali e altri laterali, con due differenti energie. Questa prima parte della campagna sperimentale è stata svolta presso i laboratori hangar di Forlì, della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna. La caratterizzazione del materiale è avvenuta mediante prove a compressione. Il processo è stato eseguito per verificare l’influenza che l’impatto genera sulle proprietà meccaniche a compressione. Per poter eseguire una campagna di test ottimale, si è vista necessaria un’attenta analisi delle varie attrezzature utilizzabili per le prove a compressione. La scelta è ricaduta sull’attrezzatura CLC (Combined Loading Compression), la quale è risultata essere la più affidabile e maneggevole per le prove oggetto di studio. La fase relativa allo svolgimento delle prove a compressione è stata eseguita presso i laboratori ENEA di Faenza –Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali Faenza (UTTMATF).

Caratterizzazione sperimentale dell'ossido di stronzio per l'assorbimento del diossido di carbonio da correnti gassose ad alta temperatura e considerazioni sulla sua applicazione industriale in processi CCS

Del granulato di ossido di stronzio (anche nella formula carbonato) è stato testato come nuovo possibile materiale di utilizzo per la cattura ad alta temperatura di diossido di carbonio da effluenti gassosi di scarto. Sono stati condotti diversi esperimenti con strumentazioni già preposte, quali test termogravimetrici, microscopia elettronica (SEM) e Xray (XRD). Mentre per la sperimentazione in quantità più rilevanti di materiale è stato costruito un impianto a letto fisso ex novo. Le prove TG hanno evidenziato una capacità media di sorbente parti a circa il 5% in massa di ossido, a temperature tra i 1100°C e i 1200°C, in situazione di regime (dopo numerosi cicli di carb/calc), con una buona conservazione nel tempo delle proprietà adsorbitive, mentre per le prove a letto fisso, si è registrato un calo di valori variabile tra il 3 e il 4%, con un netto miglioramento nel caso di calcinazione in vapore surriscaldato fino al 5%. Il trattamento in vapore ha sortito l’importante effetto di calcinazione del diossido di carbonio dal sorbente, quindi facilmente separabile dal flusso in uscita, misurato tramite cattura in una soluzione di idrossido di bario. Importanti fenomeni di sintering e densificazione hanno portato ad occludere completamente la camera di reazione sviluppando notevoli sovrappressioni interne. Tali fenomeni sono stati approfonditi tramite analisi SEM e XRD. Si è constatato un aumento notevole della grandezza dei granuli in caso di trattamento in vapore con la formazione di legami stabili e con conservazione della porosità. Nel caso di trattamento senza vapore surriscaldato i granuli hanno sinterizzato tramite formazione di legami, ma sempre con conservazione della macroporosità. Il lavoro di tesi è stato inquadrato nel contesto tecnologico al riguardo le tecniche CCS esistenti ed in progetto, con un attento studio bibliografico riguardo lo stato dell’arte, impianti esistenti, costi, metodi di cattura usati, metodologie di trasporto dei gas, metodologie di stoccaggio esistenti e in progetto. Si sono considerati alcuni aspetti economici per sviluppare un modello previsionale di spesa per una possibile applicazione di cattura per un impianto di produzione energetica. Con la progettazione e dimensionamento di un sistema integrato di adsorbimento tramite l’accoppiamento di 2 reattori dedicati ai cicli di carbonatazione e calcinazione del materiale sorbente. Infine si sono considerati gli aspetti salienti dello stoccaggio del diossido di carbonio in reservoir tramite le tecniche di EOR e EGR (Enhanced Oil/Gas Recovery) utilizzando la stessa CO2 come fluido spiazzante degli idrocarburi in posto. Concludendo il lavoro di tesi e di sperimentazione ha contribuito in modo tangibile allo scopo prefissato, andando a caratterizzare un nuovo materiale per la cattura di diossido di carbonio da effluenti gassosi ad alta temperatura, ed andando a verificare un’importante fenomeno rigenerativo non previsto delle capacità sorbitive dei materiali sottoposti a test.

Caratterizzazione sperimentale di sistemi per il ranging basati su tecnologia uwb

L'obiettivo di questa tesi è quello di fornire una panoramica sulla tecnologia UWB ed eseguire una caratterizzazione ranging.

Caratterizzazione sperimentale della produzione in aria di 41-Ar nell'impiego di un ciclotrone per uso biomedico

Negli ultimi anni l'utilizzo di ciclotroni per la produzione di radionuclidi, impiegati nell'ambito della Medicina Nucleare, è diventato un processo sempre più diffuso e numerosi sono i modelli commercialmente disponibili. L'impiego di questo tipo di apparecchiature porta a considerare questioni rilevanti legate alla radioprotezione che coinvolgono una serie di aspetti complessi sia nella fase progettuale del sistema, sia nell'ottenimento delle necessarie autorizzazioni. In particolare, uno dei problemi radioprotezionistici da affrontare è legato alla dispersione in ambiente di aeriformi radioattivi, prodotti dall'interazione di flussi di particelle secondarie con l'aria. In questo lavoro di tesi, svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria dell'Ospedale Sant'Orsola di Bologna, si è cercato di caratterizzare l'emissione di tali gas radioattivi considerando l'effetto del sistema di ventilazione. E' stata eseguita un'estesa campagna di misurazioni in diversi punti di campionamento, collocati lungo il percorso di estrazione dell'aria: dal bunker fino all'immissione in ambiente. Sono stati ideati e realizzati dei compatti sistemi di campionamento che hanno permesso di definire, attraverso un sistema di spettrometria gamma equipaggiato con rivelatore al HPGe, una sistematica procedura per la determinazione di concentrazione di attività. I risultati ottenuti mostrano come, durante la routine di produzione di 18F mediante ciclotrone, il processo più rilevante di attivazione dell'aria sia la produzione di 41Ar (T1/2=109.34 minuti), unico radionuclide identificato in tutte le misurazioni. Infine, sulla base dei dati sperimentali ottenuti, è stata effettuata una valutazione della dose rilasciata alla popolazione locale. Il risultato, pari a 0.19 µSv/anno, può essere considerato trascurabile rispetto alla soglia di "non rilevanza radiologica", a dimostrazione di come le tipiche procedure in ambito di Medicina Nucleare possano essere considerate del tutto giustificate.

Caratterizzazione sperimentale dell'efficienza di batterie al gel di piombo

Fino a pochi anni fa l’economia dei paesi più sviluppati non teneva in nessun conto l’esauribilità delle risorse del pianeta. La crescita dei paesi cosiddetti emergenti ci ha messo di fronte ad un problema enorme: ciò che la terra produce non è più sufficiente per i consumi di tutti. In particolare è aumentato a dismisura il fabbisogno energetico di questi paesi: per soddisfarlo ogni risorsa viene utilizzata senza tenere conto degli effetti inquinanti. Si cominciano già a vederne i primi, di cui il più evidente è il cambiamento climatico, che può portare a veri e propri scompensi ambientali anche nel breve periodo fino a vere e proprie catastrofi (se l’aumento di temperatura supererà i 3°C). Questo problema non è risolvibile istantaneamente ma è fondamentale cominciare a fare qualcosa: un sistema di incentivi che promuova il rinnovabile e adottare nuovi sistemi di sfruttamento dell’energia. In tale ambito sono stati fatti grandi passi, ma bisogna continuare in questo senso. Risulta quindi fondamentale l’utilizzo di energie rinnovabili, che hanno il grande vantaggio di non essere inquinanti ma allo stesso tempo, non essendo programmabili, per poterle sfruttare al meglio e in modo istantaneo necessitano di sistemi di accumulo che permettano all’utente di soddisfare immediatamente la richiesta. Studiamo quindi il comportamento di un sistema di approvvigionamento alimentato da fonte rinnovabile non programmabile per la produzione di idrogeno, che permette un semplice stoccaggio in bombole a una pressione relativamente bassa (10 bar), consentendone l’utilizzo sia come idrogeno purissimo che in un metanatore. In particolare verificheremo il comportamento del sistema di accumulo a gel di piombo; per ottenerne il miglior rendimento, ricercandone la migliore efficienza e le curve di funzionamento. Per ottenere la migliore efficienza del sistema occorre che i componenti vengano progettati, studiati ed utilizzati nelle più performanti condizioni di lavoro.

Caratterizzazione sperimentale di sistemi di localizzazione a banda ultra-larga

Il processo di localizzazione risponde all'esigenza dell'uomo di avere una percezione sempre più dettagliata e precisa del contesto in cui si trova, con l'intento di migliorare e semplificare l'interazione con oggetti e cose ivi presenti. L'idea attuale è quella di progettare sistemi di posizionamento con particolare riguardo agli ambienti indoor, caratterizzati da proprietà e densità di elementi che limitano fortemente le prestazioni dei consolidati sistemi di tracking, particolarmente efficienti in spazi aperti. Consapevole di questa necessità, il seguente elaborato analizza le prestazioni di un sistema di localizzazione sviluppato dall'Università di Bologna funzionante in tecnologia Ultra-Wide Bandwidth (UWB) e installato nei laboratori DEI dell'Alma Mater Studiorum con sede a Cesena. L'obiettivo è quello di caratterizzare l'accuratezza di localizzazione del sistema, suggerendo nuovi approcci operativi e de�finendo il ruolo dei principali parametri che giocano nel meccanismo di stima della posizione, sia in riferimento a scenari marcatamente statici sia in contesti in cui si ha una interazione dinamica degli oggetti con lo spazio circostante. Una caratteristica della tecnologia UWB è, infatti, quella di limitare l'errore di posizionamento nel caso di localizzazione indoor, grazie alle caratteristiche fisiche ed elettriche dei segnali, aprendo nuovi scenari applicativi favorevoli in termini economici, energetici e di minore complessità dei dispositivi impiegati.

Caratterizzazione sperimentale di sistemi di comunicazione UWB

Questo elaborato presenta la caratterizzazione sperimentale di un sistema di comunicazione e localizzazione della DecaWave. Il sistema analizzato �è il kit EVK1000, che permette di e�ffettuare stime di distanza tra due nodi e una comunicazione robusta ai disturbi e immune alla propagazione multicammino grazie alla tecnologia UWB.