Molekulare Maschinen: Die Coronavirus SARS-CoV-2 Bedrohung, Teil I.

Was Freunde mit und für uns tun, ist auch ein Erlebtes; denn es stärkt und fördert unsere Persönlichkeit. Was Feinde gegen uns unternehmen, erleben wir nicht, wir erfahren’s nur, lehnen’s ab und schützen uns dagegen wie gegen Frost, Sturm, Regen und Schloßenwetter oder sonst äußere Übel, die zu erwarten sind.

Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832), Maximen und Reflexionen. Aphorismen und Aufzeichnungen.

Ein Virus ist Leben in der einfachsten Form. Es ist die minimalistische Reduktion eines Organismus auf seine wesentlichen Funktionselemente. Noch pragmatischer ist ein Virus ein Behälter mit genetischem Code mit einem effizienten molekularen Mechanismus, der es ihm ermöglicht, in eine Wirtszelle eines Organismus einzudringen, der sich selbstständig reproduzieren kann. Als molekulare Maschine kann ein Virus der Form und der zerstörerischen Kraft des Todessterns in der Star-Wars-Saga ähneln. Daher ist es eine Art molekulare Maschine, die wir absolut nicht in uns haben wollen!

Wie der große Goethe sagt, ist der Feind Teil unserer Erfahrung und wir müssen ihn jagen und uns tatsächlich vor anderen möglichen Feinden schützen. Dieser epische Naturkrieg veranlasste mich, diesen Blog zu starten, in dem ich mitteilen werde, was ich über diese gefährliche molekulare Maschine lerne.

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Le Macchine Molecolari: La minaccia del Coronavirus SARS-CoV-2. Parte I

Difficilmente è vinto colui che sa conoscere le forze sue e quelle del nemico.

Nicollò Machiavelli in Dell’arte della guerra (1519-1520)

Un virus è la vita nella forma più semplice. È la riduzione minimalista di un organismo ai suoi elementi essenziali di funzionalità. Più pragmaticamente, un virus è un contenitore di codice genetico dotato di un efficiente meccanismo molecolare che gli consente d’invadere una cellula ospite di un organismo capace di riprodursi autonomamente. Come macchina molecolare, un virus può assomigliare nella forma e potere distruttivo, alla Morte Nera della saga di Star Wars. Pertanto, è un tipo di macchina molecolare che non vogliamo assolutamente avere dentro di noi!

La diffusione del coronavirus SARS-CoV-2 (COVID-19) ha prodotto una nuova pandemia, ovvero una infezione causata da un agente patogeno che colpisce l’intera popolazione di una specie vivente, in questo caso quella umana. Questa situazione di emergenza globale è il risultato di una competizione naturale tra specie viventi che ci rammenta di essere ancora un tassello nell’ecosistema di Gaia. Tuttavia, anche se sia sempre arduo da credere visto lo stato in cui abbiamo ridotto il nostro pianeta, siamo la forma di vita più intelligente nell’universo conosciuto. Quindi sarebbe abbastanza imbarazzante essere sconfitti da un nemico invisibile.

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Retro programming nostalgia IV: L’Equilibrio e la Titolazione Acido/Base (Parte I)

La motivazione per questo articolo nasce dal mio interesse per il retro-computing connesso, da una parte, alla rivalutazione delle mie esplorazioni giovanili del calcolo scientifico in linguaggio BASIC e dall’altra, alla popolarità che, negli ultimi anni, stanno avendo nel settore amatoriale e della didattica i microcomputer su scheda singola  (single-board computer, quali, per esempio  il Raspberry Pi).  Questi piccoli computer hanno una potenza considerevolmente maggiore a un costo decisamente inferiore dei microcalcolatori degli anni 80. Questo ha reso possibile l’emulazione su questi calcolatori dei sistemi operativi di mitici modelli di home computer della Commodore e i modelli MSX.

Pertanto sta prendendo piede anche un rinnovato interesse nel linguaggio di programmazione BASIC. Questo interesse nel retro-computing riflette la nostalgia nelle grandi emozioni che negli anni 70-80 lo sviluppo della tecnologia informatica consumistica ha portato alla mia generazione. Ricordo che rimasi folgorato dalla creatività nell’uso e nella programmazione di questi microcomputer al punto che ha ridiretto i miei interessi scientifici e la mia carriera accademica. 

Ho raccontato in altri articoli delle mie prime avventure di programmazione con  home computer della Commodore e i sistemi MSX alla fine degli anni ’80 e inizi degli anni ’90 e delle mie riscoperte di archeologia informatica. Tra i reperti ho rinvenuto un piccolo programma che ho usato per studiare le titolazioni acido/base sviluppato in MSX BASIC. Pertanto ho colto l’occasione per scrivere delle note sull’equilibrio acido base  e la titolazione e quindi fornire una versione restaurata e migliorate del mio programma, a gli studenti appassionati di programmazione  che sono  alle prese con questo importante concetto della chimica analitica.

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Easter 2020: Modelling Natural Shapes: (Easter) Eggs

One year ago, I wrote an article about the modelling of the egg shapes, promising at one point to come back on the topics. A next step in studying eggs shapes is to look to real one or a copy of it. A happy occasion for experimenting with the model using three-dimensional graphics and 3d Printing! That is a natural indeed step: take half of the symmetric curve representing the egg shape

y=T(1+x)^{\frac{\lambda}{1+\lambda}}(1-x)^{\frac{1}{1+\lambda}},

where T and \lambda are two parameters, and rotate it around the central axis

\begin{aligned} x'&=&x\\ y' &=&y*cos(\theta) \\ z' &=& y*sin(\theta) \end{aligned}

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Nanoparticles in Biology and Medicine

I am very pleased to announce that the second edition of the book Nanoparticles in Biology and Medicine edited by Enrico Ferrari, Mikhail Soloviev is now out.

This fully updated volume presents a wide range of methods for synthesis, surface modification, characterization and application of nano-sized materials (nanoparticles) in the life science and medical fields, with a focus on drug delivery and diagnostics. Beginning with a section on the synthesis of nanoparticles and their applications, the book continues with detailed chapters on nanoparticle derivatization, bio-interface, and nanotoxicity, as well as nanoparticle characterization and advanced methods development. Written for the highly successful Methods in Molecular Biology series, chapters include introductions to their respective topics, lists of the necessary materials and reagents, step-by-step, readily reproducible laboratory protocols, and tips on troubleshooting and avoiding known pitfalls. Authoritative and cutting-edge, Nanoparticles in Biology and Medicine: Methods and Protocols, Second Edition serves as an ideal guide for scientists at all levels of expertise to a wide range of biomedical and pharmaceutical applications including functional protein studies, drug delivery, immunochemistry, imaging, and more.

I have contributed with a chapter (14) titled The Molecular Dynamics Simulation of Peptides on Gold Nanosurfaces.

In this chapter a short tutorial on the preparation of molecular dynamics (MD) simulations for a peptide in solution at the interface of an uncoated gold nanosurface is given. Specifically, the step-by-step procedure will give guidance to set up the simulation of a 16 amino acid long antimicrobial peptide on a gold layer using the program Gromacs for Molecular Dynamics simulations.

Integrazione Numerica di Equazioni Differenziali: 50 anni fa l’uomo ha messo piede sulla Luna. Parte II

Questo è il secondo articolo di questa serie dedicata alla soluzione numerica delle equazioni differenziali. La serie prende spunto dagli eventi che hanno portato l’uomo sulla Luna.

Nel luglio del 2019, quando ho iniziato a scrivere questo articolo, ricorreva il 50esimo anniversario della missione Apollo 11 (Neil A. Armstrong, Edwin A. Aldrin and Michael Collins) in cui gli astronauti Armstrong, Aldrin hanno posato il piede sulla superficie lunare. Un evento epocale nella storia umana che segna anche l’inizio della esplorazione spaziale. Dopo 50 anni, la NASA come altre agenzia spaziali e compagnie private, si stanno preparando per tornare sulla Luna per creare avamposti per l’esplorazione umana di pianeti più distanti come per esempio Marte. Questo anniversario mi portò ad interessarmi per raccogleire idee per la mia attività d’insegnamento e per curiosità personale, alle tecniche d’integrazione numerica delle equazioni differenziali usate per effettuare i calcoli delle traiettorie dal sistema di guida delle astronavi Apollo e dai calcolatori che hanno assistito l’impresa dalla Terra. In questo articolo semi divulgativo riassumo le informazione che ho raccolto leggendo (in maniera incompleta) la documentazione della NASA e quella ottenuta leggendo dei libri sull’argomento. Come mio solito presenterò anche dei semplici programmi che implementano questo algoritmi.

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Molecular Machines: the Coronavirus SARS-CoV-2 Menace. Part I

If you know the enemy and know yourself, you need not fear the result of a hundred battles. If you know yourself but not the enemy, for every victory gained you will also suffer a defeat. If you know neither the enemy nor yourself, you will succumb in every battle.”

SunTzu. The Art of War

A virus is the Bauhaus of the form of life: the minimalist reduction of an organism to its essential element of functionality. More pragmatically, it is a container of genetic code provided with a smart mechanism that allows it to invade cells of another host organism. As a molecular machine, a virus can resemble in shape and destructive power the Death Star spaceship of the Star War saga. Therefore, it is a molecular machine that we do not definitively want to have within us!

The spread of the coronavirus SARS-CoV-2 has produced a new pandemic, i.e. an infection caused by a pathogen that affects the entire population of a living species, in this case the human one. This global emergency situation is the result of a natural competition between living species that reminds us that we are still a small brick of the Gaia ecosystem. However, although it is always difficult to believe given the state in which we have reduced our planet, we are the most intelligent life form in the known universe. So it would be quite embarrassing to be defeated by an invisible enemy.

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Examples of the Particle in a Box Model Applications

In a previous article, I have shown a simple derivation of the properties of a quantum particle confined in a one-dimensional box. Although the model is straightforward with unrealistic assumptions, such as the infinite walls, it produced qualitative results that paved the way for the development of quantum chemistry. There are several example practical applications in chemistry and nanoscience where the particle in a box model can be applied or serves as a conceptual foundation.

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Physical Chemistry. The Particle in a Box I: the Schrödinger Equation in One-dimension

In 1926, the Austrian physicist Erwin Schrödinger (1887-1961) made a fundamental mathematical discovery that had a profound impact on the study of the molecular world (in 1933, Schrödinger was awarded the Nobel Prize in Physics just seven years later, his breakthrough discovery). He discovered that a quantum system’s state composed of particles (such as electrons and nucleons) could be described by postulating the existence of a function of the particle coordinates and time, called state function or wave function (\Psi, psi function). This function is the solution of a wave equation: the Schrödinger equation (SE). Although the SE equation can be solved analytically only for relatively simple cases, the development of computer and numerical methods has made possible the application of SE to study complex molecules. 

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Buon Natale e Felice 2020

Gentilissimi/e Lettori e Lettrici, Dear Reader, Sehr geehrte Leserinnen und Leser,

Grazie mille per aver fatto tappa durante le vostre peregrinazioni cibernautiche nel mio sito web e per dedicare un po’ del vostro tempo nel leggere i miei articoli. Spero che li avete trovati tanto interessanti e utili da continuate a tornare a leggermi.
Voglio anticipare alcune delle prossime pubblicazioni.
Tra breve usciranno nuovi titoli:

  • The Logistic Map and the Feigenbaum Constants: a Retro Programming Inspired Excursion.
  • L’integrazione numerica di equazioni differenziali, parte II: 50 anni fa l’uomo ha messo piede sulla Luna
  • Retro Programming: Acid-base Titration.
  • Retro Programming: Plant evolution.

Per il momento auguro a tutti voi di trascorrere con le vostri cari un felice Natale e di avere un nuovo anno pieno di buone notizie.

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