In this work, I studied a photoactive molecule capable to partition in the lipid membrane of bacteria and acting as a visible light-modulated antibacterial system. This system has the ability to undergo photoinduced intramolecular electron transfer and/or to favor the generation of reactive oxygen species, thus has the potential to perturb the bacterial membrane under visible illumination. As first step, I characterized its optical features, by using optical spectroscopic and imaging techniques, in order to determine the spectral range of activation, its photodynamics and localization in the bacterial cells. Subsequently, I tested the action of the molecule on one of the most used model organisms in biology, the bacterium Escherichia coli, with the aim of evaluating a possible bactericidal effect. The characterization of this potential effect was carried out through a series of experiments aimed at establishing the Minimum Inhibitory Concentration (MIC) value; the experiments were carried out following a consolidated protocol already used with other photoactive molecules. The data I collected point towards a clear photoinduced inhibition of bacterial growth under visible light exposure, which I attribute preliminary to a degradation of the lipid membrane due to the formation of reactive oxygen species.

In questo lavoro ho studiato una molecola fotoattiva in grado di ripartirsi nella membrana lipidica dei batteri e di agire come un sistema antibatterico modulato dalla luce visibile. Questo sistema ha la capacità di subire un trasferimento di elettroni intramolecolare fotoindotto e/o di favorire la generazione di specie reattive dell’ossigeno, quindi ha il potenziale di perturbare la membrana batterica in seguito ad illuminazione nel visibile. Come primo passo, ho caratterizzato le sue proprietà ottiche, utilizzando tecniche ottiche spettroscopiche e di imaging, al fine di determinare il range spettrale di attivazione, la sua fotodinamica e la localizzazione nelle cellule batteriche. Successivamente ho testato l'azione della molecola su uno degli organismi modello più utilizzati in biologia, il batterio Escherichia coli, con l'obiettivo di valutarne un possibile effetto battericida. La caratterizzazione di questo potenziale effetto è stata effettuata attraverso una serie di esperimenti volti a stabilire il valore della Concentrazione Minima Inibente (MIC, Minimum Inhibitory Concentration); gli esperimenti sono stati condotti seguendo un protocollo consolidato già utilizzato con altre molecole fotoattive. I dati che ho raccolto puntano verso una chiara inibizione fotoindotta della crescita batterica sotto l’esposizione alla luce visibile, che attribuisco in via preliminare ad una degradazione della membrana lipidica dovuta alla formazione di specie reattive dell’ossigeno.

Study of the bactericidal effect of a light-transducing molecule on Escherichia coli

Sora, Elia
2020/2021

Abstract

In this work, I studied a photoactive molecule capable to partition in the lipid membrane of bacteria and acting as a visible light-modulated antibacterial system. This system has the ability to undergo photoinduced intramolecular electron transfer and/or to favor the generation of reactive oxygen species, thus has the potential to perturb the bacterial membrane under visible illumination. As first step, I characterized its optical features, by using optical spectroscopic and imaging techniques, in order to determine the spectral range of activation, its photodynamics and localization in the bacterial cells. Subsequently, I tested the action of the molecule on one of the most used model organisms in biology, the bacterium Escherichia coli, with the aim of evaluating a possible bactericidal effect. The characterization of this potential effect was carried out through a series of experiments aimed at establishing the Minimum Inhibitory Concentration (MIC) value; the experiments were carried out following a consolidated protocol already used with other photoactive molecules. The data I collected point towards a clear photoinduced inhibition of bacterial growth under visible light exposure, which I attribute preliminary to a degradation of the lipid membrane due to the formation of reactive oxygen species.
BONDELLI, GAIA
PATERNÒ, GIUSEPPE
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
23-lug-2021
2020/2021
In questo lavoro ho studiato una molecola fotoattiva in grado di ripartirsi nella membrana lipidica dei batteri e di agire come un sistema antibatterico modulato dalla luce visibile. Questo sistema ha la capacità di subire un trasferimento di elettroni intramolecolare fotoindotto e/o di favorire la generazione di specie reattive dell’ossigeno, quindi ha il potenziale di perturbare la membrana batterica in seguito ad illuminazione nel visibile. Come primo passo, ho caratterizzato le sue proprietà ottiche, utilizzando tecniche ottiche spettroscopiche e di imaging, al fine di determinare il range spettrale di attivazione, la sua fotodinamica e la localizzazione nelle cellule batteriche. Successivamente ho testato l'azione della molecola su uno degli organismi modello più utilizzati in biologia, il batterio Escherichia coli, con l'obiettivo di valutarne un possibile effetto battericida. La caratterizzazione di questo potenziale effetto è stata effettuata attraverso una serie di esperimenti volti a stabilire il valore della Concentrazione Minima Inibente (MIC, Minimum Inhibitory Concentration); gli esperimenti sono stati condotti seguendo un protocollo consolidato già utilizzato con altre molecole fotoattive. I dati che ho raccolto puntano verso una chiara inibizione fotoindotta della crescita batterica sotto l’esposizione alla luce visibile, che attribuisco in via preliminare ad una degradazione della membrana lipidica dovuta alla formazione di specie reattive dell’ossigeno.
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