DOTTORATO IN SCIENZE CHIMICHE - XIX CICLO
Relazione Terzo Anno
Studente: Bartolini Fiora
Tutor: Prof. Rossi Claudio
L’attività di dottorato nel corso di questo anno si è incentrata sull’elaborazione di ulteriori modelli
matematici in grado di descrivere gli effetti inibitori di agenti esterni sul metabolismo di una
cellula eucariotica. In particolare è stata studiata la risposta cellulare a concentrazioni crescenti di
metalli pesanti quali Fe(III) e Cr(VI).
Come cellula modello si è utilizzato un ceppo selvaggio di Saccharomyces cerevisiae.
Negli ultimi anni il lievito Saccharomyces cerevisiae è stato usato come organismo modello in
numerosi studi, in quanto è semplice da manipolare e coltivare, è oramai ben caratterizzato da un
punto di vista genomico, proteomico e metabolomico, ma allo stesso tempo, essendo un organismo
eucariote, ci permette di approfondire le nostre conoscenze sui meccanismi di adattamento e
regolazione degli organismi superiori, in quanto le risposte metaboliche a stress e a condizioni
tossiche sono evolutivamente ben conservate e simili in tutte le cellule eucariotiche. Tali risposte
sono complesse e richiedono un approccio modellistica.
Dati sperimentali acquisiti tramite Risonanza Magnetica Nucleare
13
C-NMR in vivo su
sospensioni di cellule e le curve di crescita cellulare sono stati usati per validare e stimare
statisticamente i parametri presenti nei modelli sviluppati.
Effetti dello ione Fe(III)
Il ferro è un elemento essenziale per molte funzioni vitali, quali il trasporto dell’ossigeno, la
sintesi del DNA, e per varie reazioni enzimatiche che coinvolgono l'ossigeno, ma è anche
potenzialmente tossico per la sua capacità di catalizzare la formazione di radicali liberi, per cui la
sua omeostasi deve essere strettamente regolata. Quindi gli organismi hanno sviluppato sistemi di
regolazione della sua assunzione sia a livello cellulare che sistemico.
Per descrivere come concentrazioni crescenti di ioni ferrici modulino il metabolismo, si è
sviluppato un modello matematico in grado di simulare i dati sperimentali acquisiti tramite
13
C-
NMR in vivo durante la metabolizzazione di [1-13C]-glucosio in presenza di FeCl3 (in
concentrazioni comprese nel range 0-40 mM) e relativi alle cinetiche di metabolizzazione del
glucosio,
di formazione di etanolo. Il modello simula inoltre l’attività cellulare durante la
fermentazione e descrive come le suddette variabili vengano influenzate dalla presenza dello ione
ferrico. Più in dettaglio:
1.
Dalla simulazione dell’attività cellulare nel tempo
e
in funzione della concentrazione di FeCl3 (fig1) si può
18
di FeCl3 comprese tra 20 e 40 mM è transitorio: l’attività
cellulare decresce all’aumentare della concentrazione di
cellular activity
16
dedurre che l’effetto di stress esercitato da concentrazioni
14
12
10
8
6
4
2
Fe(III) nei primi stadi del processo fermentativo, per poi
0
0
raggiungere di nuovo valori che assume in assenza di stress
esogeni.
2.
60
50
5
10
40
15
30
20
FeC 25 30
l3 (
mM
)
20
10
35
40
e
tim
(h)
0
La presenza di ioni ferrici alle concentrazioni testate modula le cinetiche del processo di
fermentazione, ma non influenza in maniera significativa la resa in termini di produzione di
etanolo. In perfetto accordo con il fatto che i meccanismi di omeostasi sviluppati per la regolazione
della concentrazione di Fe intracellulare sono molto complessi e d efficienti.
Effetti del Cr (VI)
Dal modello matematico elaborato in seguito all’acquisizione di dati di13C-NMR in vivo durante
la metabolizzazione di [1-13C]-glucosio in presenza di K2Cr2O7 (in concentrazioni comprese nel
range 0-0.75 mM), è possibile dedurre che concentrazioni crescenti di tale agente rallentano la
crescita cellulare e le cinetiche di metabolizzazione del glucosio, ma non influenzano in maniera
significativa la resa finale in etanolo, in maniera analoga a quanto detto per il Fe(III). Gli effetti di
stress provocati dal Cr(VI) sono, però, molto più amplificati, in accordo con il fatto che il Cr(VI)
ha un potere ossidante e tossico molto maggiore rispetto al Fe(III).
Pubblicazioni e partecipazione a congressi
S. Martini, M. Ricci, F. Bartolini, C. Bonechi, L. Millucci, D. Braconi, A. Santucci, C. Rossi - 'Metabolic
response to exogenous ethanol in yeast: An in vivo NMR and mathematical modelling approach' (2005)
Biophysical Chemistry, Vol.120, 135 - 142.
D. Braconi, L. Millucci, A. Paffetti, L. Trabalzini, P. Martelli, S. Martini, M. Ricci, C. Bonechi, F. Bartolini, C.
Rossi and A. Santucci "Proteomics and metabolomics to characterize enological Saccharomyces cerevisiae
strains for Sangiovese vinification in “International Sangiovese: identity and peculiarity”, ARSIA Ed., 2005
C. Rossi, A. Santucci, D. Braconi, A. Macchia, F. Sansovini, F. Bartolini, M. Ricci, S. Martini, C. Bonechi,
“Yield determination of bioethanol production of Saccharomyces cerevisiae metabolic process by mathematical
modelling and in-vivo 13C-NMR”, 14th European Biomass Conference and Exhibition October 17-21 2005,
Paris.
S. Martini, M. Ricci, F. Bartolini, C. Bonechi, L. Trabalzini, A. Santucci and Claudio Rossi, Modeling and
simulation of metabolic yield response to ethanol stress in Saccharomyces cerevisae, 5th EUROSIM Congress on
Modeling and Simulation, sept. 2004.
S.Mazzuoli, A.Tognazzi, F. Bartolini, S.Loiselle, C.Rossi, Application of humic acids in the treatment of heavy
metal contamination, Brownfield Sites II – Assessment, Rehabilitation, Development, WIT press 2004
Fiora Bartolini, Claudia Bonechi, Silvia Martini, Maso Ricci, Annalisa Santucci, Claudio Rossi “Modelling and
Simulation of Metabolic Yield Response to Ethanol Stress in Saccharomyces cerevisiae”- Terza Riunione Scientifica
delle Unita' Operative del Consorzio CSGI - 27-29 Maggio 2004 Villasimius (Cagliari) Italy.
F. Bartolini, C. Bonechi, S. Martini, M. Ricci, A. Santucci, C. Rossi, “Modelling and simulation of metabolic
yield response to ethanol stress in Saccharomyces cerevisiae”, Presentation Poster, VIII Congresso
Nazionale di Chimica dell’Ambiente e dei Beni Culturali “Governare al complessità con la complessità”, Colle
Val d’Elsa (SI) 8-11 giugno 2004
Bartolini F., Martini S., Rossi C., “Effetti della presenza di fattori di stress sul metabolismo glucidico del
Saccharomyces cerevisiae”, Presentazione orale, XI workshop di chimica fisica ambientale e modellistica
ecologica, Ingurtosu (Cagliari) 19-26 Settembre 2004.
Bartolini F., “L’uso dell’NMR in vivo per l’analisi delle cinetiche metaboliche del Saccharomyces cerevisiae”,
Presentazione orale, XII workshop di chimica fisica ambientale e modellistica ecologica, Ingurtosu (Cagliari)
25 maggio-2giugno 2005.
Prima scuola Nazionale di Metodologie Chimico-fisiche per lo studio di sistemi biologici, Martina Franca
(TA) - Italy, 5-9 Settembre 2005
F. Bartolini, M. Ricci, S. Martini, C. Bonechi, C. Rossi, “Effetti dello ione Fe(III) sul metabolismo di
Saccharomyces cerevisiae” Presentation poster, CSGI Quinta Riunione Scientifica Annuale delle Unità Operative, 7-8
Settembre 2006 Santa Vittoria in Matenano (AP)