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Questa tesi è incentrata sulla modellazione del binding ligando-proteina con metodi computazionali basati sulla dinamica molecolare. La comprensione di questo processo è fondamentale per la progettazione e la scoperta di nuovi farmaci e l'uso di metodi computazionali per supportare la ricerca sperimentale in questo campo è in costante crescita. Oggi, grazie alla crescente potenza dei computer, è possibile studiare l'intero processo di binding/unbinding del ligando e ottenere stime sulle proprietà termodinamiche e cinetiche. Alla luce di ciò, durante il mio dottorato, diversi metodi avanzati di dinamica molecolare classica (MD) sono stati impiegati e confrontati per identificare un approccio computazionale efficace per studiare i processi di binding/unbinding dei ligandi. In particolare, è stato sviluppato un protocollo basato sulla combinazione degli approcci steered MD (sMD) e Metadinamica (MetaD) con Path Collective Variables (PCVs) con lo scopo di utilizzare i vantaggi di entrambi i metodi per ottenere una descrizione completa del processo. Mentre il metodo SMD è stato impiegato per studiare diversi percorsi di disassociazione e identificare quello preferito, la MetaD con le PCVs è stato utilizzato per determinare più accuratamente l'energia libera di legame. Il protocollo proposto è stato applicato con successo per studiare il legame del ligando al fattore inducibile dell'ipossia (HIF-2α) e ha dimostrato di essere efficace per le simulazioni effettuate sia su una struttura a raggi X nota del ligando-proteina che su una posa di docking. D'altra parte, la maggior parte dei metodi MD richiede la produzione di diverse repliche o lunghe simulazioni per campionare più volte l'evento di binding/unbinding al fine di ottenere una statistica affidabile del processo. Questo produce la necessità di metodi in grado di analizzare tutti gli eventi simulati in una sola volta e di fornire un quadro chiaramente interpretabile delle differenze nei pathway campionati. Per questo motivo, è stato sviluppato un tool basato sulle mappe auto-organizzanti (SOM). Lo strumento PathDetect-SOM (Pathway Detection on SOM), sfruttando i vantaggi dell'ordinamento topologico della SOM, permette di rappresentare visivamente i percorsi di legame campionati durante diversi eventi/repliche MD in una chiara rappresentazione bidimensionale. Inoltre, possono essere derivati suggerimenti sulle proprietà cinetiche e termodinamiche del processo. Lo strumento è stato applicato con successo a diversi casi di studio per dimostrare la sua applicabilità generale. Inoltre, come parte di un progetto eseguito presso il centro di ricerca Jülich (Istituto di Simulazioni Avanzate e Istituto di Neuroscienze e Medicina) sotto la supervisione del Prof. Paolo Carloni, è stata testata una nuova interfaccia ibrida di meccanica quantistica/meccanica molecolare (QM/MM) (MiMiC). Il codice, che permette simulazioni di dinamica molecolare QM/MM di sistemi biomolecolari, è stato applicato alla proteina chinasi mitogeno-attivata p38 in complesso con il ligando 2g per studiare il processo di unbinding del ligando. L'attenzione si è concentrata sulla prima fase del processo che coinvolge la dinamica del ligando nel suo stato legato. Le simulazioni MD QM/MM sono state efficaci nel descrivere accuratamente le interazioni ligando-proteina. In particolare, monitorando il cambiamento delle cariche atomiche durante la simulazione e calcolando la differenza di densità elettronica tra il ligando nel suo stato legato e nel vuoto, sono stati ottenuti approfondimenti sugli effetti di polarizzazione del campo elettrico della proteina sul ligando. Ci si aspetta che questi effetti, anche se piccoli nello stato legato, diventino molto importanti nelle fasi successive del processo di unbinding. This thesis focused on modeling of ligand-protein binding with computational methods based on molecular dynamics. Understanding this process is crucial for the design and discovery of new drugs and the use of computational methods to support experimental research in this field is constantly growing. Nowadays, thanks to the increasing computer power, it is possible to study the complete ligand binding/unbinding process and obtain estimate on thermodynamic and kinetic properties. In view of this, during my PhD, different advanced classical molecular dynamics (MD) methods were employed and compared to identify an effective computational approach for studying ligand binding/unbinding processes. Specifically, a protocol based on combination of the steered MD (sMD) and the Metadynamics (MetaD) with Path Collective Variables (PCVs) approaches was developed with the aim of using the advantages of both methods to obtain a complete description of the process. While the sMD method was employed to investigate different unbinding pathways and identify the preferred one, MetaD with PCVs was used to determine more accurately the binding free energy. The proposed protocol was successfully applied to study ligand binding to the Hypoxia Inducible Factor (HIF-2α) and it demonstrated to be effective for simulations performed both on a known ligand-protein X-ray structure and on a docking pose. On the other hand, most of the MD methods requires the production of several replicas or long simulations to sample the binding/unbinding event several times in order to obtain a reliable statistics of the process. This produces the need of methods able to analyze all the simulated events at once and to provide a clearly interpretable picture of the differences in the sampled pathways. For this reason, a tool based on the self-organizing maps (SOMs) was developed. The PathDetect-SOM (Pathway Detection on SOM) tool, exploiting the advantages of the topological ordering of the SOM, allowing to visually represent the binding paths sampled during different MD events/replicas in a clear bidimensional representation. In addition, hints on the kinetic and thermodynamic properties of the process can be derived. The tool was successfully applied to different study-cases to demonstrate its general applicability. Furthermore, as part of a project performed at the Jülich research center (Institute of Advanced Simulations and Institute for Neuroscience and Medicine) under the supervision of Prof. Paolo Carloni, a novel hybrid quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) interface (MiMiC) was tested. The code, that allows QM/MM molecular dynamics simulations of biomolecular systems, was applied to the mitogen-activated protein kinase p38 in complex with the 2g ligand to investigate the ligand unbinding process. The focus was on the first step of the process involving the dynamics of the ligand in its bound state. QM/MM MD simulations were effective in describing ligand-protein interactions accurately. In particular, by monitoring the change of the atomic charges during the simulation and calculating the electronic density difference between the ligand in its bound state and in vacuum, insights into the polarization effects of the protein electric field onto the ligand were obtained. It is expected that these effects, albeit small in the bound state, become very important in the following steps of the unbinding process.

Il numero di transistor per unità di area che possono essere posizionati su un wafer a semiconduttore dipende dalla capacità del wafer di dissipare tale energia termica. I materiali con elevata conducibilità termica e temperatura di fusione, come il silicio, sono quelli ideali. Le basse correnti di dispersione che si possono ottenere con l'ossido di Si e il nitrato di Si (i suoi composti nativi con l'aria) e l'elevata conducibilità termica hanno consentito una densità di transistor superiore rispetto ad altri semiconduttori. Anche se il silicio domina ancora il ramo principale della tecnologia dei semiconduttori, ci sono aree in cui la bassa mobilità, la bassa velocità di saturazione e il bandgap indiretto hanno permesso lo sviluppo di altri semiconduttori. Essendo il costo della materia prima molto superiore a quello del Si, sono state sviluppate alcune tecniche per ridurre tali costi. Un modo per mantenere il vantaggio termico di un substrato di silicio e ridurre il costo della materia prima dei semiconduttori che non sono Si consiste nell'utilizzare un sottile film di semiconduttore cresciuto sopra un substrato di Si spesso (etero-epitassia). L'eteroepitassia garantisce costi inferiori mantenendo un substrato termicamente efficiente, ma d'altro canto implica che il semiconduttore deve essere cresciuto su un substrato con un parametro reticolare diverso. Le tecnologie epitassiali oggi più diffuse sono l'epi-crescita delle leghe di gruppo III-V e II-VI (soprattutto per l'amplificazione a radiofrequenza e le tecnologie laser) e l'epitassia di semiconduttori di gruppo IV come le leghe SiC e SiGe e il Ge puro. I semiconduttori del gruppo IV hanno il vantaggio non trascurabile di avere costi di fabbricazione inferiori rispetto ai primi. Ovviamente garantiscono prestazioni migliori in termini di proprietà elettroniche rispetto al Si. Il principale ostacolo alla realizzazione di tali dispositivi deriva dal fatto che il disadattamento reticolare induce la formazione di difetti dannosi durante la crescita epitassiale. Tali difetti ostacolano la possibilità di un'applicazione industriale ed estensiva di semiconduttori del gruppo IV diversi dal Si. In genere, i difetti generati sono bordi di grano, dislocazioni, errori di impilamento (stacking fault) e altri difetti estesi. Esiste un forte interesse accademico nella comprensione dei difetti nei sistemi epitassiali. In particolare, due sistemi presentano allo stesso tempo interessanti prospettive applicative e difficili sfide di modellazione teorica: il silicio-germanio e carburo di silicio cubico. Sono infatti semiconduttori attraenti che possono essere facilmente integrati nell'attuale architettura basata su silicio. La loro epitassia su Si è stata studiata per anni, ma le densità dei difetti sono ancora troppo alte in quei sistemi. In questa tesi, affronteremo il problema della modellazione dell'evoluzione di difetti estesi tramite simulazioni di dinamica molecolare. Affronteremo alcuni dei problemi aperti sull'evoluzione dei difetti in entrambi i materiali in esame. I nostri risultati forniranno informazioni sufficienti per far luce sui problemi specifici della formazione e dell'evoluzione di stacking fault multipli in SiC cubico e la formazione di array ordinati di dislocazioni di Lomer in Ge cresciuto su Si.​ Silicon has dominated semiconductor history for almost half a century. Even if the first transistor was made using germanium and other semiconductors show better electronic properties in terms of higher mobility, higher saturation velocity, and larger energy gap. It is the material used to build almost the 97% of all semiconductor-based electronic de- vices. The reason is straightforward; it is the most economical technology to make inte- grated circuits. It has been possible to fabricate integrated circuits with constantly increasing number of transistors on a single chip. The first that analyzed this trend was Gordon Moore in 1965, and he suggested that the trend was due to a constant exercise in cost reduction. The manufacturing cost for a square millimeter of Si remained constant at about 1$ for many decades, while the number of transistors and other elements has grown exponentially with time. The number of transistors for units of area that can be placed on a semiconductor wafer depends on the capacity of the wafer to dissipate such thermal energy. Materials with elevated thermal conducibility and melting temperature, like silicon, are the ideal ones. The low leakage currents that can be achieved with Si oxide and Si nitrate (its native composite with air) and the elevated thermal conducibility allowed a transistor density higher than with other semiconduc- tors. Even if Si still dominates the main branch of semiconductor technology, there are areas where the low mobility, the low saturation velocity, and the indirect bandgap per- mitted other semiconductors to develop. Being the raw material cost much higher than Si one, some techniques have been developed to reduce such costs. A way to maintain the thermal advantage of a silicon substrate and reduce the raw material cost of semi- conductors that are not Si consists of using a thin semiconductor film grown on top of a thick Si substrate (hetero-epitaxy). Hetero-epitaxy guarantees lower costs maintaining a thermally efficient substrate, but on the other side implies that the semiconductor has to be grown on a substrate with a different lattice parameter. Today’s more diffused epitaxial technologies are the epi-grow of group III-V and II-VI alloys (especially for radio frequency amplification and laser technologies) and the epitaxy of group IV semiconductors like the SiC and SiGe alloys and the pure Ge. Group IV semiconductors have the non-negligible advantage of having cheaper fabrication costs than the formers. They, of course, guarantee better performances in terms of electronic properties than Si. The main obstacle in realizing such devices stems from the fact that the lattice mismatch induces the formation of detrimental defects during epitaxial growth. Such defects hinder the possibility of an industrial, extensive appli- cation of group IV semiconductors other than Si. Typically, the generated defects are grain boundaries, misfit dislocations, stacking faults, and other extended defects. A strong academic interest exists in the comprehension of defects in epitaxial systems. In particular, two systems present at the same time exciting application perspectives and hard theoretical modeling challenges: silicon germanium and cubic silicon carbide. They indeed are attractive semiconductors that can be easily integrated into the actual silicon-based architecture. Their epitaxy on Si has been studied for years, but defect densities are still too high in those systems. In this Thesis, we will deal with the problem of modeling extended defects evolution via molecular dynamics simulations. We will tackle some of the open problems about defect evolution in both the materials under consideration. Our results provided enough information to shed light on the specific problems of the formation and evolution of multiple stacking faults in cubic SiC and the formation of ordered arrays of Lomer dislocation in Ge grown on Si.

In questa tesi sono stati affrontati tre progetti indipendenti, accomunati dall’uso della modellistica molecolare e in particolare della dinamica molecolare. Nel primo progetto è stato studiato il dominio Sec14-PH della neurofibromina (NF1). I domini sec14 sono stati scoperti in numerose proteine dai procarioti all’uomo come scambiatori di lipidi tra membrane, per mezzo di una tasca la cui apertura è legata al movimento di una specifica alpha-elica (elica lid). La struttura cristallina del dominio Sec14 di NF1 (sia del wild type sia di mutanti associati all’insorgenza della patologia neurofibromatosi) ha rivelato la sua particolarità di essere strutturalmente accoppiato ad un dominio PH che interagisce fortemente con l’elica lid tramite un suo loop (detto lid-lock loop). Su questa base è stato formulato un meccanismo di apertura della tasca del Sec14 che coinvolgerebbe un movimento concertato del lid-lock loop, ma questo movimento non è mai stato osservato o dimostrato. Guidati da dati sperimentali sulla denaturazione termica del Sec14-PH di NF1, sia del wild type sia di alcuni mutanti, diverse simulazioni ad alta temperatura sono state effettuare per comparare la dinamica del dominio wild type con un mutante patologico associato all’insorgenza della patologia neurofibromatosi. Con le nostre simulazioni è stato possibile proporre un meccanismo di funzionamento dell’apertura dell’elica lid e fornire delle basi strutturali e dinamiche dell’insorgenza della patologia nel caso del mutante specifico studiato. Nel secondo progetto è stato affrontato lo studio di una proteina chiamata EtfAB che catalizza un processo recentemente scoperto noto come biforcazione elettronica basata sulle flavine. Questo meccanismo è sfruttato solo da alcuni microrganismi anerobici come terza via di accoppiamento energetico e finora si conoscono quattro famiglie di proteine, evolutivamente non correlate, in grado di catalizzarlo. Una di queste è EtfAB, della quale non è chiaro come possa avvenire il trasferimento elettronico tra le due molecole di FAD ad essa legate. Infatti, la distanza tra questi due FAD osservata nella struttura cristalline di EtfAB è di 18 Å, mentre si ritiene più plausibile che i trasferimenti elettronici in biologia non avvengano a distanze maggiori di 14 Å. Per questo è stato suggerito un possibile meccanismo che potrebbe avvicinare le due molecole di FAD. Usando la dinamica molecolare è stato possibile testare, e smentire, il meccanismo proposto. Inoltre, con il Density Functional Theory (DFT), è stato possibile fornire un’interpretazione ad alcuni dati spettroscopici riguardo il possibile trasferimento elettronico tra le due molecole di FAD. Nel terzo progetto, ho collaborato con il Prof. Luca Bertini ad un progetto sulla produzione e propagazione di alcune specie reattive dell’ossigeno (ROS) nel contesto del peptide amiloide beta coinvolto nella patogenesi dell’Alzheimer. Nell’ambito dell’ipotesi amiloide sull’insorgenza della patologia di Alzheimer, un ruolo importante è stato attribuito ai danni causati dai ROS, prodotti da un complesso metallico all’interno del peptide amiloide stesso, in particolare dal radicale ossidrilico (OH.-). Tuttavia, i dettagli su come questi radicali propaghino e reagiscano non sono ancora stati chiariti. Mentre i calcoli DFT del Prof. Bertini affrontavano le capacità ossidative del radicale ossidrilico e i possibili prodotti di reazione nel contesto del peptide amiloide beta, con i miei calcoli di dinamica molecolari è stata fornita una panoramica su quali possibili bersagli del radicale ossidrilico, coordinato allo ione Cu del complesso, possano effettivamente reagire entrando in contatto con il radicale ossidrilico a causa dei moti dinamici del peptide. In this thesis, three independent projects were addressed, sharing the computational approach based on molecular modeling and in particular molecular dynamics. In the first project, the Sec14-PH domain of neurofibromin (NF1) was investigated. The Sec14 domains have been identified in many different proteins, from prokaryotes to humans, serving as exchangers of lipid molecules between membranes, by means of a pocket whose opening is allowed by the motion of a specific alpha-helix (called lid helix). The crystal structure of the NF1-Sec14 domain (of both the wild type and some mutants associated with the onset of neurofibromatosis pathology) has revealed its peculiarity of being structurally coupled to a PH domain that strongly interacts with the lid helix through a long loop (called lid-lock loop). On this basis, a mechanism for the opening of the Sec14 lipid pocket was formulated which would involve a concerted movement of the lid-lock loop, but this movement has actually never been shown. Guided by available experimental data on the thermal denaturation of Sec14-PH domain of NF1, both on the wild type and some neurofibromin-related mutants, several simulations at high temperature were carried out to compare the dynamics of the wild type domain with a pathological mutant associated with the onset of neurofibromatosis. Our simulations lead us to suggest an opening mechanism for the lid helix and provide a hypothesis for the structural and dynamic basis of the onset of the disease in the case of the specific mutant. The second project addressed the study of a protein called EtfAB which catalyzes a recently discovered process known as Flavin-Based Electron Bifurcation (FBEB). This mechanism is only exploited by some anaerobic microorganisms as a third way of energy coupling. So far, four unrelated protein families are known that are able to catalyze FBEB. Among these, EtfAB, catalyzes the electron transfer between the two FAD molecules bound to it. Surprisingly, the distance between these two FADs, as observed in the crystal structure of EtfAB, is 18 Å, whereas biological electron transfer is considered more likely to occur at a maximal distance of 14 Å. To explain this, a possible mechanism has been suggested that could bring the two FAD molecules closer together. Using molecular dynamics, it was possible to test, and discard, the proposed mechanism. Furthermore, with the Density Functional Theory (DFT), it was possible to provide an interpretation to some spectroscopic data regarding the possible electron transfer between the two FAD molecules. In the third project, I collaborated with Prof. Luca Bertini on a project on the production and propagation of some reactive oxygen species (ROS) in the context of the amyloid-beta peptide involved in the pathogenesis of Alzheimer's. In the amyloid hypothesis on the onset of Alzheimer's disease, an important role has been attributed to the damage caused by ROS, produced by a metal ion coordinated to the amyloid peptide itself, in particular by the hydroxyl radical (OH.-). However, the details of how these radicals propagate and react have not yet been clarified. While Prof. Bertini's DFT calculations addressed the oxidative capacities of the hydroxyl radical and the possible reaction products in the context of the amyloid-beta peptide, my molecular dynamics simulations provided an overview on which possible targets of the hydroxyl radical, coordinated to the ion Cu of the complex, could actually react with the hydroxyl radical due to the dynamic motions of the peptide.

I biomateriali per applicazioni di ingegneria dei tessuti devono soddisfare diversi requisiti, come sicurezza, biocompatibilità e caratteristiche meccaniche appropriate. Il processo di sviluppo di questi biomateriali comprende diversi approcci scientifici, che vanno dall' in-silico all'in-vivo. L'ottimizzazione in silico delle caratteristiche dei biomateriali sta attirando un'attenzione sempre maggiore. Infatti, il miglioramento di questo approccio consentirà di ridurre i costi aggiuntivi nel processo di sviluppo dei biomateriali, a causa di caratterizzazioni sperimentali non necessarie. Secondo questo punto di vista, in questa tesi viene presentato un approccio di dinamica molecolare per la caratterizzazione dei biomateriali. Più in dettaglio, gli scaffold degli idrogel di peptidi autoassemblanti (SAP) sono stati studiati su nanoscala e microscala, al fine di chiarire le loro relazioni intrinseche struttura-proprietà-funzione. Le dinamiche molecolari atomistiche a grana grossa (CG-MD) sono state utilizzate per studiare i meccanismi di auto-assemblamento che portano alla formazione di scaffold peptidici. A causa della mancanza di informazioni strutturali cruciali nelle simulazioni CG-MD, l'innovativa suite software, denominata Morphoscanner, è stata impiegata per la classificazione dei modelli di aggregazione conformazionale dei SAP. Quindi, le proprietà meccaniche e i meccanismi di rottura delle nanostrutture SAP sono stati studiati attraverso le simulazioni MD vincolate. Queste evidenze hanno portato allo sviluppo di un approccio CG-MD che mira a chiarire la complessa interazione tra membrane cellulari e nanofibrille SAP. In particolare, le simulazioni MARTINI CG-MD sono state utilizzate per comprendere gli effetti della nanofibrille peptidiche sulla dinamica dei domini lipidici nelle membrane neurali. Tali risultati aprono nuove dimensioni nel campo della biomateriomica, consentendo di comprendere ed eventualmente controllare i complessi fenomeni che influenzano le proprietà meccaniche e la biocompatibilità dei biomateriali a base peptidica per applicazioni di ingegneria tissutale. Biomaterials for tissue engineering applications have to comply with several requirements, such as safety, biocompatibility and appropriate mechanical features. The development process of these biomaterials encompasses several scientific approaches, ranging from in-silico to in-vivo. The in-silico optimization of biomaterials features is attracting even larger attention. Indeed, the improvement of this approach will allow to reduce additional costs int the biomaterials development process, due to unnecessary experimental characterizations. According to this point-of-view, in this thesis is presented a molecular dynamics approach for biomaterial characterization. More in details, self-assembling peptides (SAPs) hydrogels scaffolds have been investigated at the nano-scale and micro-scale, to elucidate their intrinsic structure-property-function relationships. The atomistic and coarse-grained molecular dynamics (CG-MD) have been used for the elucidation of self-assembling pathways of peptide-based scaffolds. Due to the lack of crucial structural information in CG-MD simulations, the innovative software suite, dubbed Morphoscanner, has been employed for the elucidation of conformational aggregation patterns of SAPs. Then, the mechanical properties and failure mechanisms of SAPs nanostructures have been investigated through the steered MD simulations. These evidences led the development of a CG-MD approach aiming to elucidate the complex interplay between cell membranes and SAPs nanofibrils. In particular, MARTINI CG-MD simulations have been used for understanding the effects of SAPS nanofibril on dynamics of lipid domains in neural membranes. Such achievements open up new dimensions in the field of biomateriomics, allowing to understand and eventually orchestrate the complex phenomena which affect the mechanical properties and biocompatibility of SAPs biomaterials for tissue engineering applications.

I materiali compositi hanno suscitato un notevole interesse nella comunità scientifica grazie alle loro eccezionali proprietà e alle loro promettenti applicazioni. Infatti, i materiali interfacciati hanno un ruolo cruciale in innumerevoli applicazioni. Nel presente lavoro di tesi, diversi tipi di interfacce ossido/strato di carbonio sono state considerate per svolgere un’indagine chimica quantistica. La superficie del biossido di titanio è stata interfacciata con monostrati a base di carbonio, che può essere sia bidimensionale ed inorganico (grafene), sia uno strato denso di molecole organiche (enedioli e silani). Il lavoro mira a rivelare i fenomeni peculiari che si verificano all’interfaccia, dovuti delle proprietà complementari delle due componenti, che potrebbero essere interessanti per la catalisi e la bio-funzionalizzazione. L’indagine teorica si basa su due livelli di teoria: self-consistent charge density-functional tight-binding (SCC-DFTB) e la teoria del funzionale della densità (DFT). Il metodo SCCF-DFTB approssimativo consente di studiare le proprietà dinamiche e strutturali di questi sistemi complessi, mente i calcoli DFT più accurati permettono di raffinare i modelli e studiare le loro proprietà elettroniche. La prima parte del lavoro è stata dedicata alla modellizzazione dell’interfaccia tra TiO2 in fase anatasio e il grafene, in presenza di difetti. Oltre a ciò, si è considerata la reattività di molecole d’acqua all’interfaccia per proporre possibili percorsi di reazioni e studiare gli effetti del ricoprimento dovuti al confinamento della reattività. La seconda parte del lavoro presenta lo studio del modello di nanoparticella sferica di TiO2 decorata con un monostrato denso di molecole organiche: l’enediolo DOPAC e l’organosilano TETT, che sono eccellenti linker. Il DOPAC è un derivato catecolico che presenta un gruppo carbossilico aggiuntivo. È stata studiata un’ampia gamma di modalità di adsorbimento sulla superficie curva di TiO2. Inoltre, sono state eseguite simulazioni di dinamica molecolare per elucidare l’affinità dei gruppi carbossilici rispetto alla superficie di TiO2 e per studiare l’effetto termico sulla conformazione strutturale del sistema ibrido inorganico/organico. Poiché la TiO2 è un eccellente assorbitore di luce, è stata studiata anche la fotoeccitazione del sistema TiO2/DOPAC. Il TETT è un organosilano con una catena propilica recante un’etilendiammina, ulteriormente funzionalizzata con tre gruppi carbossilici. A causa delle dimensioni e della complessità delle nanoparticelle di TiO2 completamente decorate con il TETT, si è campionato la spazio configurazionale attraverso diverse serie di dinamiche molecolari. Per concludere, lo studio di differenti sistemi ibridi (ossido metallico/monostrato a base di carbonio) svolto in questo lavoro ha permesso, da un lato, di razionalizzare la reattività all’interfaccia TiO2/grafene e, dall’altro, di eseguire un’analisi comparativa tra due diversi tipi di monostati organici (enedioli o silani) su TiO2 per poter valutare il loro potenziale come linker per l’attacco e il trasporto di biomolecole. Composite materials have attracted the attention of the scientific community due to their outstanding properties and promising applications. Materials interfaces play a crucial role in many of these applications. In the present work of thesis, different types of oxide/C-based layer interfaces have been considered for a quantum chemical investigation. The titanium dioxide surface has been interfaced with both inorganic bidimensional (graphene) and densely packed organic (enediols and silanes) C-based monolayers. The work aims at revealing the peculiar phenomena that occur at the interface, due to the complementary properties of the two components, that might be relevant for catalysis and bio-functionalization. The theoretical investigation is based on two levels of theory: self-consistent charge density-functional tight-binding (SCC-DFTB) and density functional theory (DFT) The approximate SCC-DFTB method allows to investigate the dynamical and structural properties of the complex systems, while the most accurate DFT calculations enable to refine the models and study their electronic properties. The first part of the work is devoted to the modelling of the interface between TiO2 anatase (101) surface and graphene with defects, since they are often observed in real samples. Furthermore, we have considered the presence of water molecules and their reactivity at the interface to propose possible reaction paths and to investigate the undercover effects due to the reaction confinement. The second part of the work presents the study on a model of spherical TiO2 nanoparticle decorated with a densely packed monolayer of two organic molecules: the enediol DOPAC and the organosilane TETT, that are excellent linkers. DOPAC is a catechol derivative bearing an extra carboxylic group. An extensive set of adsorption modes on the TiO2 curved surface have been investigated. Molecular dynamics (MD) simulations have also been performed to elucidate the affinity of the carboxylic groups toward the TiO2 surface and to investigate the thermal effect on the structural conformation of the hybrid inorganic/organic system. Since TiO2 is an excellent UV light absorbant, we have studied the TiO2/DOPAC system photoexcitation. TETT is an organosilane molecule with a propyl chain bearing an ethylenediamine group, further functionalized with three carboxylic groups. Due to the size and complexity of TETT fully-decorated TiO2 nanoparticle, we have sampled the configurational space through several MD runs. To conclude, the investigation of different hybrid (metal oxide/C-based layer) systems performed in this works has allowed, on one side, to rationalize the reactivity at the TiO2/graphene interface, and, on the other side, to perform a comparative analysis between two different types of organic monolayers (by enediols or silanes) on TiO2 and to assess their potential as linkers for biomolecules attachment and transport

Recent nanofriction experiments of xenon on graphene revealed that the slip onset can be induced by increasing the adsorbate coverage above a critical value, which depends on temperature. Moreover, the xenon slippage on gold is much higher than on graphene in spite of the same physical nature of the interactions. To shed light on these intriguing results we have performed molecular dynamics simulations relying on ab initio derived potentials. By monitoring the interfacial structure factor as a function of coverage and temperature, we show that the key mechanism to interpret the observed frictional phenomena is the size-dependence of the island commensurability. The latter quantity is deeply affected also by the lattice misfit, which explains the different frictional behavior of Xe on graphene and gold., Comment: 9 pages, 4 figures, 2 tables

Dynamical aspects have a central role in the biological function of proteins. Each motional process has a characteristic time scale, amplitude and energy range. Proteins in particular display a broad range of characteristic motions, from very fast and localized, such as atomic fluctuations, to motions that occours on the scale of the whole molecule, such as folding transitions. Futhermore, dynamical events occourring at long time scales are actually coupled to faster motions, and they can be seen as rare events, the origin of which is found on the microdynamics of rotation around chemical bonds. Electron and nuclear magnetic spectroscopies are sensible to molecular motions at different time scales, making them very powerful tools in the study of molecular dynamics. Nevertheless the dynamical information contained in the experimental data is hidden and theorethical methodologies of interpretation are needed. In this work, we present different theoretical approaches which allow to better describe the stochastic descriptions of flexible macromolecules in solution. State-of-the-art approaches to dynamic models are first reviewed, aimed at the interpretation of magnetic resonance relaxation experiments. Next, the main focus is on i) the comparison between information content of the experiment and prediction capability of the model, using a Bayesian Markov-Chain Monte Carlo approach ii) defining a way to identify subgroups of atoms, the dynamics of which can be treated independently from the others iii) a new model of description of flexible macromolecules via projection operators, which allows to tune the description of the system to the preferred level of description in relation to the spectroscopic observable of interest.

The term halogen bond (XB) describes the intermolecular interaction occurring between a Lewis base and a halogen atom (in particular heavier halogens) which behaves like Lewis acid due to the electropositive sigma-hole. Indeed, the electrophilic nature of halogens is explained by the anisotropic distribution of the electron density around the halogen atoms. In the last decade, XBs occurring in solution have increasingly received attention as a tool to direct molecular recognition processes and underlie protein-ligand binding. Nevertheless, the exploration of solvent effects on XB has begun later compared to solid-state studies, and to date the application of XB in solution is still challenging. Another open issue concerns the application of XB in chiral systems, and only a few chiral molecules having sigma-holes as recognition sites were described recently. In addition, the detection of stereoselective XB-based interactions in solution requires the availability of analytical method characterized by higher sensitivity. In this study, the rational design of new atropisomeric sigma-hole (halogen and chalcogen) bond donors based on the 4,4'-bipyridyl core has been engineered by stereoelectronic activation of the heteroaromatic scaffold. On this basis, a HPLC protocol based on an orthogonal on-column screeninga,b) on polysaccharide-based polymers, as XB acceptors, was developed with the aim to detect stereoselective sigma-hole-driven interactions. Significantly, the HPLC outcomes of 5,5'-dibromo-2,2'-dichloro-3-(arylthio)-4,4'-bipyridines proved that chalcogen bond interactions involving activated sulfur sites as electrophiles can drive enantiodiscrimination processes. As a result of the HPLC study, new structures have been successfully pinpointed for further applications in catalysis and drug design.

La simulazione di dinamica molecolare classica permette di indagare le proprietà dinamico-strutturali di grossi sistemi biologici, in condizioni molto simili a quelle fisiologiche e per ampie finestre di tempo. Tali caratteristiche stanno portando all’utilizzo diffuso di questo metodo per interpretare i dati sperimentali e per progettare nuovi esperimenti. In questo articolo viene brevemente illustrata l’evoluzione della dinamica molecolare su sistemi biologici e vengono presentati due esempi di studi di sistemi complessi.

CO recombination kinetics has been investigated in the type II truncated hemoglobin from Thermobifida fusca (Tf-trHb) over more than 10 time decades (from 1 ps to 100 ms) by combining femtosecond transient absorption, nanosecond laser flash photolysis and optoacoustic spectroscopy. Photolysis is followed by a rapid geminate recombination with a time constant of 2 ns representing almost 60% of the overall reaction. An additional, small amplitude geminate recombination was identified at 100 ns. Finally, CO pressure dependent measurements brought out the presence of two transient species in the second order rebinding phase, with time constants ranging from 3 to 100 ms. The available experimental evidence suggests that the two transients are due to the presence of two conformations which do not interconvert within the time frame of the experiment. Computational studies revealed that the plasticity of protein structure is able to define a branched pathway connecting the ligand binding site and the solvent. This allowed to build a kinetic model capable of describing the complete time course of the CO rebinding kinetics to Tf-trHb. Fil: Marcelli, Agnese. European Laboratory for Non-Linear Spectroscopy; Italia Fil: Abbruzzetti, Stefania. Università di Parma; Italia Fil: Bustamante, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina Fil: Feis, Alessandro. University of Florence; Italia Fil: Bonamore, Alessandra. Università degli studi di Roma "La Sapienza"; Italia Fil: Boffi, Alberto. Università degli studi di Roma "La Sapienza"; Italia Fil: Gellini, Cristina. University of Florence; Italia Fil: Salvi, Pier R.. University of Florence; Italia Fil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina Fil: Bruno, Stefano. Università di Parma; Italia Fil: Viappiani, Cristiano. Università di Parma; Italia Fil: Foggi, Paolo. European Laboratory for Non-Linear Spectroscopy; Italia. University of Perugia; Italia

Le simulazioni di Dinamica Molecolare e Monte Carlo, classiche e quantistiche, hanno permesso di studiare fenomeni interessanti in molti campi (chimica, fisica, biologia, scienza dei materiali, etc.). Uno dei limiti dell’applicazione di queste tecniche allo studio di fenomeni nuovi e più complessi è rappresentato dal fatto che, con gli attuali supercomputer, è possibile raggiungere al più la scala dei tempi dei microsecondi (solo per le simulazioni classiche), mentre molti processi interessanti accadono su scale di tempi dei secondi, minuti, ore, giorni o più. Per affrontare questi problemi ovviamente non basta affidarsi alla sola evoluzione dell’hardware: nella scala di tempi si debbono coprire diversi ordini di grandezza compresi tra quelli accessibili alle simulazioni di “forza bruta” ed i tempi fisici dei fenomeni interessanti. In tale contesto il Gruppo di Scienza dei Materiali del CASPUR sta partecipando allo sviluppo e all’implementazione di nuovi metodi per studiare queste classi di fenomeni.

The response to compression of the zeolite gismondine, which is the natural counterpart of the synthetic zeolite P, was explored by synchrotron X-ray powder diffraction experiments with a non-penetrating pressure-transmitting medium and by Car Parrinello molecular dynamics simulations. In the range P amb —7.4 GPa, no pressure-induced amorphization occurs and the cell volume decrease is approximately 8%. The corresponding bulk modulus ( K 0 = 63.8(2) GPa) is one of the highest found to date for zeolites studied under the same conditions. The pressure-induced cell modifications are found to be reversible upon decompression up to about 4 GPa. Gismondine is found to be more compressible along a and c with respect to b , and shows a tendency from monoclinicity towards tetragonality with increasing pressure. The results of the Molecular Dynamics simulations made it possible to rationalize at the microscopic level the slope variation observed in the volume–pressure curve and to explain the role of the framework and extra-framework atoms in the deformation mechanism. Upon compression, the Ca coordination number increases and the water molecules organize themselves in a different supra-molecular arrangement. Interestingly the pressure-induced deformation mechanism described here is similar to that found in gismondine upon dehydration under vacuum.

The recently developed metadynamics method is applied to the intramolecular hydrogen migration reactions of acetone in the gas phase. Comparison of different sets of collective coordinates allows efficient description of the underlying free energy surface. The simulations yielded numerous reactions: the enol-oxo tautomerism, the decomposition of acetone to various products, and rearrangement reactions. On the basis of the calculated activation barriers it is concluded that the enol-oxo tautomerism is the most frequent intramolecular proton-exchange process the acetone undergoes in the gas phase.

We have studied the keto-enol interconversion of acetone to understand the mechanism of tautomerism relevant to numerous organic and biochemical processes. Applying the ab initio metadynamics method, we simulated the keto-enol isomerism both in the gas phase and in the presence of water. For the gas-phase intramolecular mechanism we show that no other hydrogen-transfer reactions can compete with the simple keto-enol tautomerism. We obtain an intermolecular mechanism and remarkable participation of water when acetone is solvated by neutral water. The simulations reveal that C deprotonation is the kinetic bottleneck of the keto-enol transformation, in agreement with experimental observations. The most interesting finding is the formation of short H-bonded chains of water molecules that provide the route for proton transfer from the carbon to the oxygen atom of acetone. The mechanistic picture that emerged from the present study involves proton migration and emphasizes the importance of active solvent participation in tautomeric interconversion.

The microscopic behavior of the Ca-zeolite yugawaralite has been studied by ab initio molecular dynamics simulations adopting experimental cell parameters obtained at pressures up to ~9 GPa. Pressure-induced volume contraction occurs via rotations of quasi-rigid TO 4 tetrahedra that reduce the size of the channels in which the extra-framework species are located. Such rotations are governed by deformation of the coordination polyhedron of Ca, which is made up of water and framework O atoms. Contraction of the Ca-H 2 O distances is favored at moderate pressure; at higher pressure the shortening of Ca-framework O atom distances becomes prevalent. The hydrogen bond network plays a fundamental role in the overall response to pressure. Our results indicate that the high- P -induced deformation of the framework structure is strictly correlated to the extra-framework species that act as “templates” in the compression process.

Experimental investigations of thermophoretic forces acting upon aerosol particles in the atmosphere are being carried out in cooperation between the Institute of Atmospheric Sciences and Climate (ISAC) of the National Research Council (CNR) of Italy, the Department of Physics of the University of Ferrara, Italy, and the Microgravity Research Centre of the Universite Libre de Bruxelles, Belgium. This experimental task, aiming at understanding the behaviour and distribution of aerosol particles in the atmosphere, is paralleled by the development of a computer program simulating the thermophoretic forces with the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method of molecular dynamics. Purpose of the computational effort is a better understanding of the experimental data and analysis of thermophoretic forces in regimes, like intermediate Knudsen numbers, where experimental data are not available. The articles explains the details of the application of the DSMC method to the simulation of thermophoretic forces and of the calculation of the temperature distribution in the simulated aerosol particle, which is essential to compute the energy exchanged between particle and colliding air molecules. Preliminary computational data are compared with experiments, providing information about the suitability of the computational approach followed. Order of magnitude of computed thermophoretic velocities agree fairly with experimental data. To reduce statistical scattering of computed results it would be necessary to simulate a larger number of sample molecules and perform three-dimensional simulations with massive parallel computers.

The structural properties and the conformational dynamics of antarctic fish Notothenia coriiceps and mouse metallothioneins were studied by Fourier-transform infrared and fluorescence spectroscopy. Infrared data revealed that the secondary structure of the two metallothioneins is similar to that of other metallothioneins, most of which lack periodical secondary structure elements such as α-helices and β-sheets. However, the infrared spectra of the N. coriiceps metallothionein indicated the presence of a band, which for its typical position in the spectrum and for its sensitivity to temperature was assigned to α-helices whose content resulted in 5% of the total secondary structure of the protein. The short α-helix found in N. coriiceps metallothionein showed an onset of denaturation at 30°C and a Tm at 48°C. The data suggest that in N. coriiceps metallothionein a particular cysteine is involved in the α-helix and in the metal-thiolate complex. Moreover, infrared spectra revealed that both proteins investigated possess a structure largely accessible to the solvent. The time-resolved fluorescence data show that N. coriiceps metallothionein possesses a more flexible structure than mouse metallothionein. The spectroscopic data are discussed in terms of the biological function of the metallothioneins. Proteins 2002;46:259–267. © 2002 Wiley-Liss, Inc.

La tesi si occupa di simulazioni di dinamica molecolare di poli meri amorfi densi, polietereterchetoni (PEEK-WC) e polietereterchetoni modificati (PEEK-WC nitrato e PREEK-WC solfonato) nello stato vetroso. Sono stati analizzati, inoltre dei sistemi complessi di polimero PEEK-WC contenenti molecole di beta-ciclodestrine. Le ricerche riportate riguardano essenzialmente due punti: 1. la conoscenza delle proprietà di trasporto dei polimeri; 2. la determinazione dei fattori strutturali sia nei processi di separazione gassosa sia nel caso di sistemi polimero/beta-ciclodestrine. Nei capitoli 1 e 2 sono stati introdotti i principi fenomenologici del trasporto attraverso membrane polimeriche , citando alcuni modelli che ne hanno meglio descritto i meccanismi, e alcuni concetti di base delle simulazioni di dinamica molecolare e delle applicazioni di interesse, quali il coefficiente di solubilità e diffusione. Nel capitolo successivo0 sono presentate le analisi effettuate , rispettivamente , su polietereterchetoni (PEEK-WC), anche modificati, quali PEEK-WC nitrati e PREEK-WC solfonati e, infine su sistemi polimerici di PEEK-WC contenenti beta-ciclodestrine, descrivendo anche il lavoro sperimentale riguardante la cinetica di sistemi modello contenenti beta-ciclodestrine. Infine sono state tratte le conclusioni della ricerca e si discutono le prospettive future.152