Academic literature on the topic 'Simulazioni di dinamica molecolare'

L'Aferesi Terapeutica (AT) è una tecnica di depurazione extracorporea che, separando il plasma dalle cellule ema-tiche, può rimuovere soluti patogeni di elevato peso molecolare (PM), come auto-anticorpi, immunocomplessi, catene leggere e così via. La cinetica dei soluti in corso di AT è basata sugli stessi principi di farmaco-cinetica utilizzati per i pazienti in emodialisi (HD), ma i soluti coinvolti nell'AT hanno un PM molto più elevato. Dal momento che quasi tutti i soluti a elevato PM hanno una distribuzione essenzialmente intravascolare e/o sono rimossi quasi esclusivamente dal volume plasmatico (VP), per prescrivere la “dose di Aferesi” si potrebbe correntemente usare il Kt/V derivato dal modello single-pool: la prescrizione di una rimozione di un volume pari a 1.2–1.4 volte il VP del paziente in pratica corrisponde a un Kt/V di 1.2–1.4 per un soluto il cui volume di distribuzione coincide con il VP. Tuttavia, in generale, per descrivere la cinetica dei soluti anche tra le sedute di aferesi è necessario un modello multicompartimentale. Recentemente, Hanafusa ha usato un modello bicompartimentale per eseguire una serie di simulazioni, al fine di analizzare l'impatto dei vari parametri sulla cinetica dei soluti nell'AT. In breve, i principali risultati di tali simulazioni sono stati i seguenti: a) il PM del soluto di interesse può aiutare a scegliere la tecnica aferetica più appropriata; b) un volume di distribuzione più piccolo permette una rimozione più efficiente; c) sia la velocità di diffusione intercompartimentale che l'emivita (che è inversamente correlata alla velocità di produzione) impattano sulla frequenza del trattamento; d) sia la severità della malattia che la presenza di sanguinamento e/o di infezione possono impattare non solo sulla dose, ma anche sulla scelta della modalità di AT e dei fluidi di sostituzione.

L’obbiettivo di questo lavoro di tesi è l’individuazione di inibitori delle proteine NLP attraverso l’uso di simulazioni di screening virtuale (VS) e dinamica molecolare (DM) basata su campi di forza classici. Le NLP (Necrosis and ethylene-inducing peptide 1–like) sono proteine secrete da batteri, funghi e oomiceti, responsabili delle infezioni causate alle piante solanacee. Sfruttando le conoscenze strutturali di queste proteine e la recente individuazione del sito di legame del loro substrato, sono state effettuate delle simulazioni di VS su grandi database di molecole commercialmente disponibili per individuare un set di molecole capaci di legarsi alle NLP e di inibirne quindi l’azione citolitica. Un sottoinsieme di molecole è stato selezionato per raffinarne le pose tramite simulazioni di DM in presenza del solvente e a temperatura e pressione ambiente. Da queste simulazioni sono state selezionate alcune molecole la cui capacità di inibire le proteine NLP sarà testata in vitro in lavori successivi.

La DNA topoisomerasi I umana rilassa il DNA superavvolto attraverso la formazione di un intermedio covalente nel quale la tirosina del sito attivo è legata in maniera transiente al filamento di DNA scissile. Le proprietà strutturali e dinamiche di varie forme di questo enzima, sia in complesso con 22 coppie di basi di DNA che in forma libera, sono state studiate tramite simulazioni di Dinamica Molecolare classica. In particolare sono stati simulati i seguenti sistemi: i complessi DNA-topo58/6.3, topo70-DNA, topoT718A-DNA e l’enzima in assenza di DNA. La forma ricostituita topo58/6.3 della topoisomerasi I umana, è priva del dominio N-terminale e del dominio linker, mentre la forma topo70 è priva solamente del dominio N-terminale. Le analisi sul complesso DNA-topo58/6.3, hanno evidenziato un gran numero di moti correlati trai i residui dei subdomini del core I e II ed un ruolo chiave dell’elica 5 nella comunicazione proteina-DNA, in particolare con lo strand scissile, a valle del sito di taglio. Inoltre sono state studiate l’influenza del dominio linker e dei residui 203-214 all’N-terminale sui movimenti proteici del complesso enzima-DNA, attraverso il paragone delle simulazioni del sistema in presenza (topo70) o in assenza (topo58/6.3) di queste regioni. Topo58/6.3 presenta delle fluttuazioni maggiori rispetto a topo70, ad indicare che la presenza del dominio linker e dei residui N-terminali, attenuano le fluttuazioni dei domini core e C-terminale. La simulazione di del mutante Thr718Ala della topoisomerasi I in complesso con il DNA, mostra come la singola mutazione conferisca un comportamento dinamico differente all’enzima rispetto al wild-type. Da notare che le differenze non si osservano in prossimità del sito attivo, mentre si individua una diversa flessibilità nelle regioni della proteina che contattano lo strand scissile del DNA, come il linker e le “V-shaped” α-eliche. I risultati della simulazione indicano una comunicazione diretta tra il sito di mutazione e regioni che si trovano relativamente distanti, come il dominio linker, che, con la sua alterata flessibilità, conferisce all’enzima una ridotta efficienza nel rilassamento del substrato desossi-ribo-nucleo-proteico. Le proprietà dinamiche e strutturali della DNA topoisomerasi I umana sono state studiate anche attraverso il paragone del sistema con e senza DNA. Le simulazioni mostrano che la perturbazione di carica introdotta all’interfaccia delle lips per rimuovere il ponte salino e le interazioni elettrostatiche deboli come i legami a idrogeno, induce l’apertura della clamp (morsa) proteica e permette di osservare, per la prima volta, la separazione dei due lobi principali dell’enzima e la conseguente apertura dell’enzima. Inoltre la simulazioni permettono di identificare un “perno” attorno al quale i due lobi dell’enzima ruotano durante il movimento d’apertura. Infine, la grande stabilità esibita dalla conformazione aperta dell’enzima, suggerisce quest’ultima come una delle conformazioni più probabili dell’enzima in assenza di DNA.
Human DNA topoisomerase I relaxes supercoiled DNA through the formation of a covalent intermediate in which the active-site tyrosine is transiently bound to the cleaved DNA strand. The structural and dynamical properties of various forms of this enzyme, both in complex with a 22bp DNA duplex and alone, have been investigated by Molecular Dynamics simulations. In detail, the simulations involved the following forms of the enzyme: the complexes DNA-topo58/6.3, DNA-topo70, DNA-topoT718A and the enzyme in the absence of DNA. The topo58/6.3 form of human topoisomerase I lacks the N-terminal and the linker domain while the topo70 form lacks only the N-terminal domain. The analyses on the DNA-topo58/6.3 complex showed a great number of correlated movements of core subdomain I and II residues, and a central role for helix 5 in the protein-DNA communication, in particular with the scissile strand downstream of the cleavage site. The comparison between topo70-DNA and topo58/6.3-DNA complexes Furthermore, the influence of the N-terminal residues 203–214 and the linker domain on motions in the human topoisomerase I-DNA complex has been investigated by comparing the molecular dynamics simulations of the system with (topo70) or without (topo58/6.3) these regions. Topo58/6.3 is found to fluctuate more than topo70, indicating that the presence of the N-terminal residues and the linker domain dampens the core and C-terminal fluctuations. The MD simulation carried out on the T718A mutant enzyme complexed with its DNA substrate indicates that the single mutation confers a different dynamical behaviour compared to the wild-type enzyme. Interestingly, no changes are observed in the proximity of the mutation site, while a different flexibility is detected in regions contacting the DNA scissile strand, such as the linker and the V-shaped α-helices. The simulation results indicate a direct communication between the mutation site and regions located relatively far away, such as the linker domain, that, with their altered flexibility, confer a reduced DNA relaxation efficiency. The structural and dynamical properties of the human topoisomerase I, have also been investigated comparing the molecular dynamics simulations of the system with and without DNA. The simulations show that a charge perturbation of the salt bridge and of the hydrogen bonds present on the lips, induces the opening of the protein “clamp” and allows to observe, for the first time, that the two principal lobes of the enzyme can separate from each other to open the “clamp”. Furthermore the simulations allows to localize a hinge around which the protein lobes rotate during the opening. The stability shown by the open conformation of the enzyme suggests that we are sampling the most probably conformation, that corresponds to the open structure of the enzyme in the absence of its substrate.

Recentemente l’elettronica organica sta attraendo grande interesse, a causa della possibilità di produrre dispositivi a basso costo, flessibili, di grandi dimensioni e leggeri. In più sono sempre più numerosi gli studi che riportano l’utilizzo di uno o più materiali biologici nella fabbricazione di questi dispositivi, dal momento che crescono le richieste, soprattutto in ambito medico e ambientale, di strumenti capaci di interagire con il corpo umano e l’ambiente esterno. Per cercare quindi di potenziare l’efficienza di dispositivi organici e bio-organici è utile ottimizzare le proprietà elettroniche e morfologiche dei materiali costituenti il dispositivo. Per fare ciò risultano molto utili studi computazionali che permettono di comprendere la correlazione tra proprietà morfologiche ed elettroniche. In questo lavoro di tesi sono stati studiati due materiali: la fibroina, proteina maggioritaria estratta dalla seta del baco Bombyx mori, come materiale dielettrico e il PTCDI-C13, un composto organico derivato dalla perilene diimmide, come materiale semiconduttore. Questi due materiali formano gli strati attivi di un bio-OFET. Al fine di investigare le proprietà morfologiche strutturali di questi materiali sono state utilizzate le tecniche di simulazione di dinamica molecolare. Sono stati effettuati studi morfologici sulle rugosità superficiali e strutturali, analizzando le proprietà morfologiche e strutturali dei materiali e delle relative interfacce, anche in relazione ai vari trattamenti termici simulati al fine di poter correlare il processing al miglioramento delle performance globali. In più, dal momento che il PTCDI-C13 è un materiale cristallino, si è cercato anche di stabilire l’ordine locale degli aggregati di PTCDI-C13 depositati su fibroina. Le simulazioni hanno inoltre evidenziato un miglioramento della morfologia della superficie esposta rispetto alla fibroina isolata, marcando il ruolo fondamentale che ha questo strato nell’architettura OFET.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di implementare uno strumento che consenta di modificare i parametri di simulazione BPSim per i diagrammi BPMN. In particolare, ci si concentra sulla progettazione e implementazione di una modellazione dinamica che non è altro che la struttura dati di una progressive web application in grado di integrare la simulazione BPSim in un diagramma di processo. L'integrazione delle informazioni fornite dalla specifica BPSim nei diagrammi BPMN e quindi consentire la simulazione dei processi è un'attività particolarmente interessante per le aziende, poiché consente di ridurre al minimo i tempi di fornitura di nuovi prodotti e servizi, massimizzare i profitti e minimizzare i rischi. ########################################################### The purpose of this work is to implement a tool which allows editing BPSim simulation parameters for BPMN diagrams. Specifically, this project consists in the design and implementation of a dynamic modeling which is the "database" of a progressive web application that is able to integrate the BPSim simulation to a process diagram. Integrating the information provided by the BPSim specification into BPMN diagrams and therefore allowing the simulation of processes is a particularly interesting activity for companies, since it allows to minimize the times with which new products and services are provided, maximize profits and minimize risks.

The computational description of chemical systems is nowadays acknowledged of great importance for the widespread application of theoretical methods in microscopic structural modelling. The modelling of both simple and complex molecular systems is feasible by applying the first principles of quantum mechanics and such simulations may be accomplished with or without their evolution in time. These approaches have their respective advantages and disadvantages, depending on the application field. In the present Thesis, two innovative methods for chemical modelling are presented, that is the Normal Mode Analysis within Extended Broken Symmetry (EBS) and the Fluctuating-RESP (F-RESP) method. The Extended Broken Symmetry (EBS) approach is an electronic structure method that permits to correct the Density Functional Theory (DFT) (or, more generally mono-determinant based methods) when dealing with low spin open-shell molecular systems characterized by antiferromagnetic interactions. This method (relying on ORCA or CP2K program packages for ab initio calculations) is generalized with respect to the system size, meaning that it can deal with molecular species containing an arbitrary number of spin centres. The analytical expressions for the geometrical gradient and Hessian matrix have been derived, therefore permitting to perform geometrical optimizations and provide vibrational spectra. The Fluctuating-RESP (F-RESP) approach is a framework for performing polarizable classical Molecular Dynamics simulations within the fluctuating charges formalism. The method (implemented in LAMMPS package) is able to perform, due to the remarkable parallelization and intrinsic theoretical feasibility, simulations within the limits of the most employed statistical ensembles. The former method has been applied in my study on two iron-sulfur clusters, representing the most common structural patterns of this important class of compounds and for which high quality experimental data are available. The accuracy of the description that EBS was able to perform of these systems superseded the traditional BS-DFT approach both at the magnetic, structural and vibrational levels. The latter method has been employed for the simulation of liquid water, a system of paramount importance whose knowledge is, despite of the apparent structural simplicity and huge research efforts made so far, still not thoroughly complete. The water model obtained by applying the F-RESP approach on the pre-existing TIP3P model permitted to improve the accuracy of the description and derive physical observables that are closer to the experimentally measured ones.

La dinamica molecolare classica è stata utilizzata, unitamente a tecniche avanzate di  modellistica molecolare, per caratterizzare dal punto di vista atomistico un set di nanostrutture  poliedriche di DNA e per verificare il meccanismo molecolare di incapsulamento e rilascio di  una biomolecola dalla cavità interna di una nanogabbia di DNA appositamente progettata per  questo scopo. Lo studio di questi sistemi ha permesso di mettere in evidenza:    l’importanza  della  composizione  nucleotidica  dei  linker  a  singolo  filamento  che  compongono le facce quadrate della geometria troncata scelta per generare un set di  nanostrutture ottaedriche di DNA. I dati ottenuti infatti indicano molto chiaramente che  le nanogabbie esaminate, che condividono la stessa composizione delle doppie eliche  collegate  da  linker  con  stessa  lunghezza  ma  diversa  composizione  nucleotidica,  possiedono un comportamento molto simile dimostrando che i vincoli imposti dalla  geometria  sono  i  fattori  principali  nel  determinare  le  proprietà  di  questa  classe  di  nanogabbie;    la possibilità di generare una nanostruttura ottaedrica composta totalmente da doppie  eliche di DNA. I dati ottenuti indicano che è possibile progettare una nano‐gabbia di DNA  più rigida di quella originale con i linker a singolo filamento. Inoltre le informazioni ricavate  da queste analisi confermano che variando la tipologia (ma non la sequenza) dei linker che  collegano le doppie eliche strutturali è possibile realizzare nanostrutture in grado di  svolgere compiti differenti: ad esempio è possibile variare in maniera molto fine il volume  interno della struttura consentendo la creazione di nano‐carriers capaci di trasportare  molecole di forma o dimensione differenti;   la relativà semplicità con cui è ora possibile realizzare centinaia di nanostrutture di diversa  forma e dimensione, che può essere utilizzato dalla comunità scientifica per progettare e  testare in silico dei modelli di nanogabbie poliedriche di DNA prima della loro produzione  sperimentale;    In ultimo, ma non meno importante, il ruolo della dinamica molecolare nell’interpretare,  da un punto di vista atomistico, un comportamento osservato a livello macroscopico,  nonché  di  identificare  un  meccanismo  molecolare  diverso  da  quello  ipotizzato inizialmente. Il processo di incapsulamento e rilascio controllato attraverso la temperatura  di un enzima all’interno di una nanogabbia avviene infatti con bassa efficienza poiché il  meccanismo  inizialmente  proposto,  che  prevedeva  una  apertura  del  reticolo  della  nanogabbia guidato dall’unfolding delle regioni occupate dagli hairpin‐loop, si è rivelato  fondamentalmente errato.  Il reale meccanismo, evidenziato dalle simulazioni, coinvolge  un  riarrangiamento  totale  dello  scaffold  della  struttura  che  permette  l’ingresso  dell’enzima  attraverso le facce del reticolo che descrive la geometria della nanogabbia.

Il presente lavoro di tesi si focalizza sull’analisi delle prestazioni energetiche di un edificio residenziale appartenente al complesso PEEP di Corticella. L’edificio è stato oggetto negli ultimi anni di interventi di riqualificazione energetica da parte della ESCO Geetit.srl del gruppo Termal di Bologna. La tesi ha come obiettivo ultimo la dimostrazione dei risultati ottenuti grazie agli interventi a cui è stato sottoposto e l’evoluzione dei consumi che potrebbero portare a ulteriori strategie e soluzioni migliorativi. L’argomento viene introdotto attraverso una panoramica riguardante gli interventi di efficientamento applicabili su edifici residenziali in accordo con le norme vigenti. Si descrivono in seguito gli interventi di riqualificazione energetica a cui è stato sottoposto lo stabile negli ultimi anni prendendo in esame i consumi storici e attuali in modo tale da pesare i miglioramenti ottenuti nella condizione post interventi. Si è proceduto con un’analisi comportamentale, tramite stumenti di monitoraggio e questionari agli utenti. Infine si è valutata la prestazione energetica dell’edificio tramite modellazione in regime dinamico con il software Design Builder, sia nel caso di edificio non coibentato sia nello stato attuale (coibentato), così da poter proporre ulteriori soluzioni migliorative.

Le simulazioni molecolari sono uno strumento molto importante per lo studio delle proteine, in quanto le loro funzioni biologiche sono accompagnate da una serie di movimenti. Diventi quindi cruciale avere delle simulazioni che siano comparabili con la realtà fisica degli eventi. Si è quindi deciso di usare dei dati sperimentali NMR per la proteina ubiquitina (1UBQ) per confrontare diversi force field disponibili nel software di simulazione molecolare GROMACS, ottenendo un grado di accordo fra i risultati e la letteratura in diverse condizioni sperimentali. Si è poi deciso di proseguire lo studio analizzando le diverse componenti del processo di ripiegamento di una proteina, utilizzando l'integrazione termodinamica e confrontando i risultati ottenuti con dati sperimentali.

Obiettivo della tesi è quello di determinare una metodologia di analisi energetica a livello di distretto urbano per individuare indicatori energetici che consentano di definire successivamente azioni di efficientamento energetico sia a livello dei singoli edifici sia a livello di distretto. Il caso studio in esame è costituito dal complesso PEEP connesso alla rete di teleriscaldamento di Corticella. Tutti gli edifici sono stati analizzati tramite simulazioni in regime dinamico con il software Design Builder. La disponibilità di dati di monitoraggio dei consumi degli ultimi anni ha consentito di ottenere la firma energetica dei singoli edifici e di eseguire una taratura dei modelli in modo da ottenere risultati coerenti con le misure reali. La fase di taratura dei modelli è risultata particolarmente complessa, in quanto le variabili che incidono sui consumi energetici di un edificio sono molteplici; inoltre la scarsa prevedibilità del comportamento dell’utente ha reso ancora più complicata la calibrazione del modello. Pertanto, si è deciso di considerare accettabili i risultati che garantissero un errore massimo, rispetto ai consumi reali, pari al 10%. Dall’osservazione dei dati ottenuti dalle simulazioni, sono stati poi sviluppati diversi indicatori energetici che potessero essere utili come punto di partenza per la successiva fase di sviluppo di scenari per la riqualificazione energetica del quartiere. In particolare, sono stati analizzati indicatori per i singoli edifici, analizzando analogie o differenze rispetto a edifici simili, individuando le maggiori criticità dal punto di vista di involucro edilizio, nonché una valutazione globale sull’andamento dei carichi termici che devono essere sopperiti dalla rete di teleriscaldamento. Inoltre l’analisi dei profili di consumo orario e delle temperature di servizio sia per il servizio di riscaldamento che di produzione acqua calda sanitaria ha permesso di fornire un primo quadro sulle possibili soluzioni di intervento

Lo scopo della tesi è l'esposizione tecnica della sovralimentazione tramite tubocompressore e le sue applicazioni. Successivamente vengono svolte alcune simulazioni dei temi appena trattati grazie al programma di calcolo Matlab. Infine la tesi propone alcune considerazioni qualitative dell'analisi precedentemente svolta.