Experimental verification of democratic particle motions by direct imaging of glassy colloidal systems

We analyze data from confocal microscopy experiments of a colloidal suspension to validate predictions of rapid sporadic events responsible for structural relaxation in a glassy sample. The trajectories of several thousand colloidal particles are analyzed, confirming the existence of rapid sporadic events responsible for the structural relaxation of significant regions of the sample, and complementing prior observations of dynamical heterogeneity. The emergence of relatively compact clusters of mobility allows the dynamics to transition between the large periods of local confinement within its potential energy surface, in good agreement with the picture envisioned long ago by Adam and Gibbs and Goldstein.Comment: 4 pages, 5 figure

Democratic particle motion for meta-basin transitions in simple glass-formers

We use molecular dynamics computer simulations to investigate the local motion of the particles in a supercooled simple liquid. Using the concept of the distance matrix we find that the alpha-relaxation corresponds to a small number of crossings from one meta-basin to a neighboring one. Each crossing is very rapid and involves the collective motion of O(40) particles that form a relatively compact cluster, whereas string-like motions seem not to be relevant for these transitions. These compact clusters are thus candidates for the cooperatively rearranging regions proposed long times ago by Adam and Gibbs.Comment: 4 pages, 4 Postscript figure

Metabasin dynamics and local structure in supercooled water

We employ the Distance Matrix method to investigate metabasin dynamics in supercooled water. We find that the motion of the system consists in the exploration of a finite region of configuration space (enclosing several distinct local minima), named metabasin, followed by a sharp crossing to a different metabasin. The characteristic time between metabasin transitions is comparable to the structural relaxation time, suggesting that these transitions are relevant for the long time dynamics. The crossing between metabasins is accompanied by very rapid diffusional jumps of several groups of dynamically correlated particles. These particles form relatively compact clusters and act as cooperative relaxing units responsible for the density relaxation. We find that these mobile particles are often characterized by an average coordination larger than four, i.e. are located in regions where the tetrahedral hydrogen bond network is distorted

Size dependence of dynamic fluctuations in liquid and supercooled water

We study the evolution of dynamic fluctuations averaged over different space lengths and time scales to characterize spatially and temporally heterogeneous behavior of TIP4P/2005 water in liquid and supercooled states. Analyzing a 250 000 molecules simulated system, we provide evidence of the existence, upon supercooling, of a significant enhancement of spatially localized dynamic fluctuations stemming from regions of correlated mobile molecules. We show that both the magnitude of the departure from the value expected for the system-size dependence of an uncorrelated system and the system size at which such a trivial regime is finally recovered clearly increase upon supercooling. This provides a means to estimate an upper limit to the maximum length scale of influence of the regions of correlated mobile molecules. Notably, such an upper limit grows two orders of magnitude on cooling, reaching a value corresponding to a few thousand molecules at the lowest investigated temperature.Fil: Montes de Oca, Joan Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Accordino, Sebastián R.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Appignanesi, Gustavo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Handle, Philip H.. Universidad de Innsbruck; AustriaFil: Sciortino, Francesco. Università degli studi di Roma "La Sapienza"; Itali

Design, synthesis and biological evaluation of 1,3-dihydroxyxanthone derivatives: Effective agents against acetylcholinesterase

The present work concerns the rational design and development of new inhibitors of acetylcholinesterase (AChE) based on the privileged xanthone scaffold. In order to understand and rationalize the mode of action of these target structures a theoretical study was initially conducted. From the results of rational design, a new variety of amphiphilic xanthone derivatives were synthesized, structurally characterized and evaluated as potential anti-Alzheimer agents. The results showed that most of the synthesized compounds exhibited high AChE inhibitory activity at the micromolar range (IC50, 0.46–12.09 μM). The synthetic xanthone 11 showed the best inhibitory effect on AChE and a molecular modeling study revealed that 11 targeted both the catalytic active site (CAS) and the peripheral anionic site (PAS) of AChE. Therefore, this compound could be considered as a potential lead compound towards new drugs for the treatment of Alzheimer’s disease.Fil: Menéndez, Cintia Anabella. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Biscussi, Brunella. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Accordino, Sebastian Roberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Murray, Ana Paula. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Gerbino, Darío César. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Appignanesi, Gustavo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; Argentin

COMUNICAZIONE TRA SISTEMI AUTOPOIETICI: LA CONNETTIVITA\u2019 FUNZIONALE E LA RESILIENZA SISTEMICA

La teoria generale elaborata da Niklas Luhmann si basa sulla differenziazione funzionale e sulla chiusura operativa, che rendono possibile l\u2019autopoiesi del sistema sociale. Tuttavia nel contesto attuale, i mutamenti sociali, la globalizzazione, la digitalizzazione, costituiscono fattori di cambiamento che implicano la necessit\ue0 di rivedere criticamente la teoria, individuando gli elementi di scollamento tra i presupposti teorici e la realt\ue0 fattuale. In particolare sembra emergere, nel sistema sociale, la tensione tra il mantenimento dell\u2019identit\ue0 e la necessit\ue0 di adeguarsi ai mutamenti esterni. Dunque si propone lo spostamento dell\u2019attenzione dal centro del sistema verso i confini, grazie a una prospettiva dinamica che metta al centro della riflessione non pi\uf9 il sistema stesso ma il suo ambiente. Per quanto riguarda l\u2019approccio metodologico, la teoria generale dei sistemi si caratterizza per il carattere universalistico. Pertanto anche la lettura critica, che utilizza l\u2019ampio kit concettuale elaborato da Luhmann, mantiene un alto livello di astrazione e, seguendo l\u2019esempio dello stesso Luhmann che attinge da scienze quali la Biologia e la Cibernetica, si impiegano concetti che nascono nell\u2019ambito di altre discipline. Nello specifico sono stati adottati concetti dell\u2019economia (analisi di mercato, trade-off, equilibrio, punto di ottimo), delle scienze ambientali (resilienza), dell\u2019analisi matematica (proporzionalit\ue0 inversa, punto di tangenza); infine sono stati coniati nuovi concetti quali \u201cSocial Heritage\u201d, \u201caccoppiamenti staminali\u201d, \u201cconnettivit\ue0 funzionale\u201d, \u201cresilienza sistemica\u201d. Con riferimento all\u2019articolazione tematica dell\u2019elaborato, nella prima parte viene presentato in modo sintetico l\u2019impianto concettuale della teoria generale dei sistemi. Data la vastit\ue0 e la ricchezza della produzione teorica di Luhmann, l\u2019esposizione si limita all\u2019approccio generale e ad alcuni aspetti che ne costituiscono il fondamento teorico. Di seguito si passa all\u2019analisi di tre sistemi parziali: il \u201csistema giuridico\u201d, il \u201csistema dei mass media\u201d e il \u201csistema dell\u2019arte\u201d. Si parte dalle definizioni di Luhmann e di altri autorevoli studiosi, per poi tentare interpretazioni originali, in linea con le caratteristiche della societ\ue0 contemporanea. Senza nessuna pretesa di esaustivit\ue0, nell\u2019ambito circoscritto dei sub-sistemi vengono analizzati specifici meccanismi che intervengono nella riproduzione del sistema e sono utili a indagarne i confini e i collegamenti con l\u2019ambiente. A questo scopo vengono descritte alcune tendenze attuali del sistema giuridico, quali il \u201cneo-pluralismo\u201d e il \u201ctrans-costituzionalismo\u201d, per poi applicare l\u2019 \u201canalisi di mercato\u201d al sistema e sperimentare un modello interpretativo nuovo. La funzione della memoria sociale viene inquadrata in un arco di lungo periodo con riferimento all\u2019evoluzione dei mezzi di comunicazione, per proporre meccanismi riproduttivi del sistema dei mass media che tengano conto del ruolo costruttivista dei social network. Infine viene preso in considerazione il sistema dell\u2019arte. Si parte dall\u2019analisi dei fenomeni di distruzione delle opere d\u2019arte durante i periodi di mutamento dell\u2019ordine sociale, per interpretare, come in una sorta di ri-orientamento gestaltico, il Cultural Heritage quale mezzo di formazione e trasmissione dell\u2019identit\ue0 sociale. Dallo zoom del caso empirico, l\u2019ottica si apre al grandangolo del processo di produzione e autoriproduzione del sistema. I tre sistemi parziali presentano caratteristiche funzionali differenti. Tuttavia \ue8 possibile individuare meccanismi evolutivi simili, estensibili all\u2019intero sistema sociale. In particolare emerge il ruolo preminente dell\u2019 \u201caccoppiamento strutturale\u201d con il \u201csistema psichico\u201d (definito accoppiamento staminale) nella genesi del sistema, e la sostituzione del \u201ccodice binario\u201d con un codice comunicativo che preveda sfumature intermedie fra i due estremi dicotomici. Si descrivono dunque i segnali di obsolescenza che riguardano proprio il problema dei confini: dalla chiusura ermetica prodotta dalla rigidit\ue0 manichea dei codici binari, si apre la strada a una visione pi\uf9 flessibile, dove i confini sono visti come membrane permeabili che consentono un rapporto osmotico con l\u2019ambiente. Nella terza e ultima parte dell\u2019elaborato si tenta di trarre delle conclusioni generali. Sempre restando nell\u2019ambito dell\u2019approccio sistemico e del funzionalismo, si propone una possibile integrazione della teoria di Luhmann al fine di sottolineare la capacit\ue0 del sistema, durante l\u2019autoriproduzione, di sopravvivere assorbendo e rielaborando al suo interno i cambiamenti ambientali. Nello specifico, si propone la relazione di trade-off tra apertura e chiusura del sistema. Questa interpretazione consente di individuare un punto di equilibrio cui il sistema deve tendere: in tal modo si evita l\u2019apertura eccessiva (che comporta la distruzione del sistema per assorbimento nell\u2019ambiente stesso) ma anche la chiusura rigida (che implica, se l\u2019ambiente cambia, lo spezzamento dei codici e l\u2019incapacit\ue0 del sistema di evolvere). Il concetto chiave che consente di ottenere l\u2019ottimale combinazione potrebbe risiedere nel grado di comunicazione intersistemica. Di conseguenza \ue8 possibile proporre l\u2019integrazione tra il principio della \u201cdifferenziazione funzionale\u201d e quello della connettivit\ue0 funzionale. La tesi quindi, pur muovendosi all\u2019interno della tradizione funzionalistica e sistemica, intende affrontare il problema non della riproduzione del sistema, quando della sua trasformazione. Le dinamiche costitutive ed evolutive sembrano connesse con l\u2019ottimale combinazione di \u201cchiusura\u201d e \u201capertura\u201d e con la capacit\ue0 di stabilire canali di comunicazione intersistemica, che garantiscono la resilienza del sistema complesso di fronte alla trasformazione dell\u2019ambiente. \uc8 questa costante disposizione al cambiamento che rende possibile la sopravvivenza del sistema sociale. In linea con la cosmogonia mitologica, al concetto di autopoiesi si potrebbe dunque associare quello della relazione costitutiva e al tempo stesso restituire un ruolo primario al sistema psichico nell\u2019ambito del sistema sociale

Structural features of high-local-density water molecules: Insights from structure indicators based on the translational order between the first two molecular shells

The two-liquids scenario for liquid water assumes the existence of two competing preferential local molecular structural states characterized by either low or high local density. While the former is expected to present good local order thus involving privileged structures, the latter is usually regarded as conforming a high-entropy unstructured state. A main difference in the local arrangement of such "classes" of water molecules can be inferred from the degree of translational order between the first and second molecular shells. This is so, since the low-local-density molecules present a clear gap between the first two shells while in the case of the high-local-density ones, one or more molecules from the second shell have collapsed toward the first one, thus populating the intershell region. Some structural indicators, like the widely employed local structure index and the recently introduced ζ index, have been devised precisely on the basis of this observation, being successful in detecting well-structured low-local-density molecules. However, the nature of the high-local-density state has been mainly disregarded over the years. In this work we employ molecular dynamics simulations for two water models (the extended simple point charge model and the five-site model) at the liquid and supercooled regimes combined with the inherent dynamics approach (energy minimizations of the instantaneous configurations) in order to both rationalize the detailed structural and topological information that these indicators provide and to advance in our understanding of the high-density state.Fil: Montes de Oca, Joan Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Accordino, Sebastián R.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Verde, Alejandro Raúl. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Alarcón, Laureano M.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Appignanesi, Gustavo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; Argentin

Sub-Nanoscale Surface Ruggedness Provides a Water-Tight Seal for Exposed Regions in Soluble Protein Structure

Soluble proteins must maintain backbone hydrogen bonds (BHBs) water-tight to ensure structural integrity. This protection is often achieved by burying the BHBs or wrapping them through intermolecular associations. On the other hand, water has low coordination resilience, with loss of hydrogen-bonding partnerships carrying significant thermodynamic cost. Thus, a core problem in structural biology is whether natural design actually exploits the water coordination stiffness to seal the backbone in regions that are exposed to the solvent. This work explores the molecular design features that make this type of seal operative, focusing on the side-chain arrangements that shield the protein backbone. We show that an efficient sealing is achieved by adapting the sub-nanoscale surface topography to the stringency of water coordination: an exposed BHB may be kept dry if the local concave curvature is small enough to impede formation of the coordination shell of a penetrating water molecule. Examination of an exhaustive database of uncomplexed proteins reveals that exposed BHBs invariably occur within such sub-nanoscale cavities in native folds, while this level of local ruggedness is absent in other regions. By contrast, BHB exposure in misfolded proteins occurs with larger local curvature promoting backbone hydration and consequently, structure disruption. These findings unravel physical constraints fitting a spatially dependent least-action for water coordination, introduce a molecular design concept, and herald the advent of water-tight peptide-based materials with sufficient backbone exposure to remain flexible

Comparing the performance of two structural indicators for different water models while seeking for connections between structure and dynamics in the glassy regime

In this work, we compare the performance of two structural indicators based on the degree of translational order up to the second coordination shell in three water models: SPC/E, TIP4P/2005, and TIP5P. Beyond directly contrasting their distributions for different temperatures to evidence their usefulness in estimating the fraction of structured and unstructured molecules and, when possible, their classification capability, we also correlate them with an indirect measure of structural constraint: the dynamic propensity. Furthermore, this procedure enables us to show the existence of evident correlations between structural and dynamical information. More specifically, we find that locally structured molecules display a preference for low dynamic propensity values and, more conspicuously, that locally unstructured molecules are extremely subject to high dynamic propensity. This result is particularly relevant for the supercooled regime where the establishment of firm links between the structure and dynamics has remained rather elusive since the occurrence of dynamics that vary in orders of magnitude upon supercooling usually contrast with barely noticeable overall structural changes.Fil: Verde, Alejandro Raúl. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Montes de Oca, Joan Manuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Accordino, Sebastián R.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Alarcón, Laureano M.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; ArgentinaFil: Appignanesi, Gustavo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; Argentin