Con il primo lavoro è stato identificato un tratto fenotipico di un ceppo di L.crispatus associato alla capacità di persistere e colonizzare il colon dell’ospite e di modificarene la composizione microbica, tale L.crispatus M247 è in grado di modificare, nell’epitelio del colon, il livello di espressione dei TLR2 dei TLR4 sia in vitro che in vivo. Con il secondo studio si identifica un meccanismo antinfiammatorio, prima sconosciuto, indotto da un ceppo probiotico che coinvolge l’attivazione di PPAR-γ e fornisce una nuova visuale sui meccanismi molecolari coinvolti nel dialogo tra epitelio intestinale e microbiota simbionte. / The colonic microbiota is a major modulator of the mucosal immune system; therefore, its manipulation through supplementation with probiotics may significantly affect the host’s immune responses. Since different probiotics seem to exert various effects in vivo, we tested the relevance of the autoaggregation phenotype on the intestinal persistence of lactobacilli and their ability to modulate the host’s innate immune responses. After 14 days of diet supplementation, the aggregating strain Lactobacillus crispatus M247 but not aggregation-deficient isogenic mutant MU5 was recovered from the feces and colonic mucosa of mice. This observation was confirmed by strain-specific PCR amplification and by Lactobacillus-specific denaturing gradient gel electrophoresis analysis. Indeed, L. crispatus M247 increased Toll-like receptor 2 (TLR2) mRNA levels, while it reduced TLR4 mRNA and protein levels in the colonic mucosa, whereas MU5 was ineffective. In colonic epithelial cells (CMT-93 cells) L. crispatus M247 but not MU5 induced time-dependent extracellular signal-regulated kinase-1 (ERK1) tyrosine phosphorylation and TLR modulation, which were abolished in the presence of PD98059 (an ERK1 inhibitor). To assess the functional relevance of probiotic-induced TLR modulation, we determined the consequences of L. crispatus preexposure on TLR4 (lipopolysaccharide [LPS]) and TLR2 [Pam3Cys-Ser-(Lys)4] ligand-mediated effects in intestinal epithelial cells. Preexposure to L. crispatus M247 blunted LPS-induced interleukin-6 (IL-6) release and inhibition of CMT-93 migration over a wound edge, whereas it enhanced TLR2-mediated IL-10 up-regulation. In summary, the aggregation phenotype is required for L. crispatus persistence in the colon and for modulation of TLR2/TLR4 expression through an ERK-dependent pathway. We speculate that the aggregation phenotype in L. crispatus M247 is required to temper epithelial cell responsiveness to bacterial endotoxins, which thus affects the evolution of intestinal inflammatory processes. Accumulating evidence indicates that the peroxisome proliferator activated receptor (PPAR)- is a major player in maintaining intestinal mucosa homeostasis, but whether PPAR- is directly involved in probiotic-mediated effects and the molecular events involved in its activation are not known. Methods: We investigated the role of PPAR- in the immunomodulatory effects of Lactobacillus crispatus M247 on intestinal epithelial cells (IEC) and the role of probiotic-derived H2O2 on PPAR- activity. Results: L crispatus M247 supplementation in mice significantly increased PPAR- levels and transcriptional activity in the colonic mucosa. L crispatus M247 induced PPAR- nuclear translocation and enhanced transcriptional activity in epithelial (CMT-93) cells, as demonstrated by the increased luciferase activity of a PPAR- –responsive element, PPAR- – responsive gene up-regulation, and reduced activity of an nuclear factor- B–responsive element. Pharmacologic PPAR- inhibition or silencing by small interfering RNA cancelled the L crispatus M247–mediated effects in CMT-93 cells. Because Lactobacillus strains producing little H2O2 failed to activate PPAR- , we investigated the role of L crispatus M247– derived H2O2 in PPAR- activation. L crispatus M247 induced a transient rise in intracellular H2O2 and PPAR- transcriptional activity was cancelled by antioxidant or H2O2 scavenger. Toll-like receptor (TLR)-2 was not required for PPAR- up-regulation mediated by L crispatus M247 in mice, although the protective effects of L crispatus M247 on dextran sodium sulfate-induced colitis were less pronounced in TLR-2 / mice. Conclusions: L crispatus M247 uses H2O2 as a signal transducing molecule to induce PPAR- activation in IEC, directly modulating epithelial cell responsiveness to inflammatory stimuli.

Le sfide connesse con il concetto di sostenibilità rappresentano un segnavia ineludibile per pensare e attuare qualunque politica di sviluppo nazionale e internazionale. Educazione e comunicazione rappresentano i due elementi cardine su cui si è innestato il discorso relativo alla sostenibilità ambientale e agroalimentare sviluppato in questo lavoro di ricerca. Comunicazione e contenuti veicolati, in relazione a stili di vita sostenibili e responsabili, rappresentano elementi chiave nell’orientare i comportamenti personali ma emerge la necessità di fornire informazioni autentiche, scientificamente rilevanti e fondate. “Una comunicazione della sostenibilità pedagogicamente orientata quale contributo educativo può offrire alle persone e alle comunità per suscitare l’adozione di stili di vita responsabili nell’ottica di un’ecologia integrale?” Il riferimento alla pedagogia della comunicazione educativa e i casi emblematici oggetto di studio mettono in luce la necessità di costruire alleanze orientate alla realizzazione di un patto educativo e generativo tra ricerca, istituzioni, imprese e consumatori. L’educazione lungo tutto l’arco della vita – lifelong learning – è l’ineludibile chiave interpretativa che l’accostamento dei temi del presente lavoro di ricerca suggerisce. Investire sui giovani e sugli adulti per metterli in grado di innestare la sensibilità acquisita nelle proprie azioni quotidiane e in quelle della comunità. Essere e agire CollegialMente Green! / Challenges related to the concept of sustainability represent an unavoidable aspect for thinking and implementing any national and international development policy. Education and communication are the two key elements on which is grafted the discourse on environmental and agrofood sustainability that is developed in this research. In relation to sustainable and responsible lifestyles, the communication and its messages can have strong influence on personal behavior but there is a need to provide authentic information, relevant and scientifically founded. “A sustainability communication, pedagogically oriented, what educational contribution can offer to people and communities for the adoption of responsible lifestyles according to integral ecology?” The reference to pedagogy of educational communication and emblematic cases under study highlight the need to build alliances oriented to the creation of an educational and generative agreement between research, institutions, businesses and consumers. Lifelong learning is the inescapable interpretive key that the combination of themes in this research suggests. Invest on young people and adults to enable them to engage the sensitivity acquired in their daily actions and in those of the community. Be and act CollegialMente Green!

Il polietilene (PE) rappresenta più del 60% di tutte le plastiche derivate dal petrolio a livello mondiale, e si sta accumulando ad un tasso di diversi milioni di tonnellate per anno a causa della sua riluttanza alla degradazione biotica e abiotica. La degradazione microbica è stata proposta come possibile strada alternativa nella riduzione dei rifiuti plastici. Lo scopo generale di questo lavoro è stata l'identificazione di ceppi batterici in grado di metabolizzare il PE e di identificare le vie metaboliche coinvolte in tale processo di biodegradazione. Abbiamo analizzato mediante approccio metagenomico diversi campioni di plastica raccolti in una discarica abbandonata, ed è stata scoperta una forte relazione tra le proprietà della plastica (inclusa la presenza di coloranti) e la comunità microbica Analizzando la comunità microbica esposta al PE nell’ ambiente, abbiamo isolato 10 ceppi batterici in grado di crescere utilizzando il PE come unica fonte di energia e di carbonio. Uno di questi ceppi, Pseudomonas aeruginosa UC4003, ha mostrato la più alta capacità di crescere in terreno minimo e polietilene. Quando cresce su PE, questo ceppo produce un enzima extracellulare, proteina-attivatore per l’ossidazione degli n-alcani (PA), coinvolto nelle prime fasi di degradazione di polietilene. / Plastics production, use and degradation are hot topics that have come to the forefront over recent years. Polyethylene (PE) represents more than 60% of all petroleum-derived plastics worldwide and is accumulating at rates of several millions of tons per year because of its strong recalcitrance to biotic and abiotic degradation. Microbial degradation has been proposed as a possible alternative way to reduce plastic wastes. The general aim of this work was the identification of bacterial strains able to metabolize PE and to identify the biochemical pathways of this biodegradation process. In an abandoned landfill we collected different plastic samples; using a metagenomic approach, we found a strong relationship between the plastic properties (including the presence of colorants) and the microbial community By screening the natural microbial community exposed to PE in environment, we isolated 10 bacteria which revealed the ability to grow on PE as only energy and carbon source. A bacterium, Pseudomonas aeruginosa UC4003, showed the highest growth rate in minimal salt medium and polyethylene. When grown on PE, this strain produced an extracellular enzyme, protein-like activator for n-alkane oxidation (PA), involved in the first step of polyethylene degradation.

Il gene-targeting in colture cellulari associato alla tecnica del trasferimento nucleare oggi rappresenta il sistema d'elezione nella creazione di animali transgenici. Purtroppo la ricombinazione omologa (HR) è poco efficiente soprattutto in cellule somatiche. La positive-negative selection (PNS) è la tecnica di arricchimento usata per geni non attivamente trascritti nel tipo cellulare utilizzato. In questo lavoro abbiamo scelto come locus bersaglio la b-lattoglobulina bovina e testato tre nuove cassette di selezione negativa, che non codificando per antibiotico-resistenze, determinano condizioni di coltura meno tossiche. / Gene-targeting of cultured cells combined with nuclear transfer currently is the most effective procedure to produce transgenic livestock. Nevertheless homologous recombination (HR) is a low frequency event in mammalian cells, above all in somatic cells. Positive-negative selection (PNS) is the enrichment strategy to target genes that are not actively transcribed in the cell type of choice. In this work we chose to target the bovine b-lactoglobulin gene and we tested three new negative selection cassettes in bovine fibroblasts. Such new targeting vectors allow a single selective drug employ and produce less toxic culture conditions.

Lo scopo di questo lavoro di tesi era di stabilire la frequenza di lattobacilli resistenti all’eritromicina e alla tetraciclina sia nel prodotto finito che nella filiera di produzione di un salame DOP del Nord Italia. Il controllo della filiera produttiva comprendeva la pelle, la carne macinata e le feci di otto suini mentre il prodotto finito era analizzato a 0, 21, 35 e 45 giorni di stagionatura. Sono state isolate colonie di lattobacilli da terreni di coltura selettivi addizionati di antibiotici. Le specie antibiotico resistenti più frequentemente isolate erano Lactobacillus sakei, Lactobacillus curvatus and Lactobacillus plantarum. I geni che con maggior frequenza sono stati evidenziati nei ceppi isolati dalla filiera e nel prodotto finito erano tet(M) ed erm(B) mentre tet(W) ed erm(B) lo erano per i ceppi isolati dalle feci. Questo studio ha consentito di fornire dati circa la presenza e la diffusione di lattobacilli tetraciclina ed eritromicina resistenti in un salame tipico del Nord Italia. I lattobacilli antibiotico resistenti potrebbero trasferire ad altri batteri, patogeni o non patogeni, i geni responsabili della resistenza stessa. Alla luce di tutto questo l’80% dei salami analizzati possono essere considerati sicuri da questo punto di vista mentre il 20% può essere valutato come un prodotto a rischio anche se la situazione non è ancora preoccupante. / The scope of this study was to assess the frequency of erythromycin and tetracycline resistant lactobacilli in the production chain (skin, minced meat, and stools of eight swine, the natural casing, and the final product at days 0, 21, 35, and 45 of ripening) of a Protected Designation of Origin dry sausage from the North of Italy and in the end products. We isolated colonies of lactobacilli from selective medium supplemented with erythromycin or tetracycline and the most frequently antibiotic resistant species isolated were Lactobacillus sakei, Lactobacillus curvatus and Lactobacillus plantarum The most frequent resistance genes in process line strains were tet(M) and erm(B) while tet(W) and erm(B) were common in strains isolated from swine stools. This study provides evidence of the presence of tetracycline and, to a lesser extent, erythromycin resistant lactobacilli in fermented dry sausages produced in Northern Italy. Although these antibiotic resistant lactobacilli could serve as reservoir organisms, in our study 80% of salami could be considered as safe even though 20% could represent a border line situation regarding the possibility of transferring antibiotic resistant genes to pathogens.

In questa tesi di Dottorato, l’obiettivo era valutare l’impatto di diversi ingredienti alimentari sul metabolismo di alcuni batteri intestinali e viceversa, mediante l’applicazione di tecniche omiche. Utilizzando le tecniche di metabolomica e trascrittomica, è stata studiata la risposta all’acido linoleico del ceppo Bifidobacterium breve DSM 20213. Utilizzando un approccio combinato di metagenomica e metabolomica, è stato possibile studiare le modifiche a carico del microbiota intestinale, del profilo fenolico e degli acidi grassi, in biscotti senza glutine (a base di erba medica) durante digestione e fermentazione in vitro. Inoltre, è stato valutato come alcuni batteri potessero interferire negativamente su una terapia farmacologica a base di Diclofenac, un farmaco usato per alcune patologie intestinali. Per questo tipo di studio è stata utilizzata la spettrometria di massa ad alta risoluzione, che ha consentito di ipotizzare un coinvolgimento dell’enzima batterico β-glucuronidasi. Una sola tecnica omica, seppure di ultima generazione, non permette di valutare tutte le modificazioni del microbiota intestinale data la complessità dei fattori coinvolti. Per questa ragione, integrare più approcci omici potrebbe risultare una buona strategia per analizzare il reale impatto del microbiota sulla salute dell’ospite. Questo permetterebbe di valutare le interazioni microbiota-ospite, i principali metabolismi e le interconnessioni tra gruppi batterici coinvolti nella risposta ad uno stimolo esterno come l’assunzione di particolari ingredienti con l’alimentazione. / The aim of the present PhD thesis was to explore the metabolic response of intestinal bacteria to food components by using ‘omics’ approaches. In particular, the first part of this thesis was focused on the effect of linoleic acid on Bifidobacterium breve DSM 20213 strain. Firstly, an untargeted metabolomics-based approach was used to explore the primary changes in metabolic profile of this strain grown in presence of linoleic acid. Secondly, the gene expression of B. breve DSM 20213 induced by linoleic acid exposure was investigated. Integrated use of metabolomics/transcriptomics was applied to better understand the response mechanisms to linoleic acid stress. In the third part of the thesis, using a combination of metagenomics and metabolomics, the in vitro large intestine fermentation of gluten-free rice cookies containing alfalfa seed was investigated. In the last part of my PhD, the negative effect of β-glucuronidase producing bacteria was evaluated by means of qualitative high-resolution mass spectrometry. Based on my experience there is not a gold standard approach for evaluating a complex environment such as the gastrointestinal tract. For this reason, an integrated use of different techniques should be mandatory to have an accurate framework of gut microbiota composition, its potential metabolic network and the impact on the host physiology and health.

Trichoderma atroviride SC1 (SC1) was isolated from hazelnut wood and it is effective in the biocontrol of soil-borne pathogens. However, its effectiveness decreases as its population declines in the soil over time. To improve its persistency in the soil, lignocellulosic materials (wood pellets) were tested to be used as carriers to sustain the population of SC1 and facilitate its incorporation into the soil. A method was developed to coat wood pellets of fir, beech, and chestnut with a conidial suspension to reach a preset concentration (i.e. 10^4, 10^5, and 10^6 cfu/ g of wood). The growth of SC1 on each type of wood was compared. Chestnut pellets were excluded from further experiments because they had low counts of colony-forming units (cfu) of SC1. Beech pellets were preferred over fir pellets for showing more suitable physicochemical characteristics for soil application. In addition, for the same wood type, increased initial coating concentrations did not impact the final colony counts of SC1 and no significant difference was observed between the counts of 10^4, 10^5, and 10^6 cfu/g of wood at the end of the experiment. The addition of small quantities of nitrogen increased the final cfu on all types of wood pellets. The growth of SC1 on beech pellets was then tested by adding cheap nitrogen sources namely, soy flour, soy protein isolates, and proteins that originated from animal wastes. The best results were obtained with soy protein isolates (1 g/L) and the population of SC1 reached 10^9 cfu/ g of beech wood. Finally, this carrier of coated beech pellets with soy protein isolates was tested in the soil under controlled conditions, in an experimental greenhouse at 25°C and 60% of soil humidity. The pellets were coated to reach a final concentration of 5×10^5 cfu/ g of beech and 10 g of beech coated pellets were mixed with 1 kg of soil in plastic pots to reach the final concentration of 5×10^3 cfu/ g of soil. The carrier increased the bacterial richness and diversity of the soil and decreased the fungal ones. The total Trichoderma population persisted in the first month and then declined after three months with competition from other bacteria such as Massilia spp. and fungi such as Stachybotrys spp. and Mortierella spp.

Durante la mia tesi di dottorato ho selezionato nuovi potenziali ceppi probiotici, combinando l'approccio convenzionale con l’utilizzo di piattaforme di nuova concezione. Mi sono concentrata inizialmente sul cosiddetto "screening tradizionale" finalizzato all'isolamento di nuovi ceppi batterici di lattobacilli e bifidobatteri e alla valutazione della loro sicurezza per il consumo umano e della loro efficacia. I ceppi selezionati sono stati quindi sottoposti ad uno screening più specifico, a seconda dell'applicazione a cui sarebbero stati destinati. In questa fase sono stati utilizzati sia test in vitro che modelli animali, al fine di valutare l'applicabilità dei ceppi di recente selezionati come probiotici per la promozione della salute umana e il loro possibile impiego in campo alimentare. Ho valutato il potenziale utilizzo dei ceppi nell’integrazione alimentare di soggetti che seguono diete ad alto contenuto proteico per ridurre il rischio di accumulo intestinale di ammine biogene, e ho individuato un ceppo di Lactobacillus con presunta attività ammino-degradativa. L'obiettivo principale di un’altra attività di screening è stato lo studio degli effetti immunomodulanti di nuovi ceppi: combinazioni di probiotici sono risultati buoni candidati per il trattamento delle malattie infiammatorie e autoimmuni (miastenia grave e sclerosi multipla) nel modello di topo. Infine, i ceppi sono stati sottoposti a screening per una potenziale applicazione in campo alimentare, finalizzata ad indagare la possibilità di produrre formulazioni di probiotici “atomizzati” da utilizzare insieme alla base commerciale del gelato. / During my PhD thesis I screened new potential probiotic strains by combining conventional approach to newly designed platforms. I focused first on the so-called "conventional screening” aimed to the isolation of new bacterial strains of lactobacilli and bifidobacteria and to assess their safety for human consumption and their efficacy by in-vitro methods. Selected strains were then submitted to a targeted screening by specifically designed models, depending on the application to which they would be destined. These models combined in vitro tests and animal models in order to assess the applicability of newly selected strains as probiotics for the promotion of human health and their possible use in food field. I evaluated the potential use of strains in the food supplementation of subjects that follow high-protein diets to reduce the risk of intestinal accumulation of biogenic amines, and I identified a strain of Lactobacillus with alleged amino degradative activity. The main objective of another screening activity was the study of the immunoregulatory effects of new strains: combinations of probiotics resulted good promising candidates for the treatment of inflammatory and autoimmune diseases (myasthenia gravis and multiple sclerosis) in rat model. Finally, strains were screened for a potential application in food field, in order to investigate the possibility of producing spray-dried probiotic formulations to be used together with commercial ice-cream bases.

La sicurezza e la qualità degli alimenti sono tutt’ora un problema critico per i paesi in via di sviluppo. Le diete a basso contenuto di acido folico, per esempio, possono causare gravi problemi di salute, soprattutto nei bambini. Gravi disturbi legati al tubo neurale (DTN) nei neonati possono derivare infatti da madri che hanno insufficiente apporto di acido folico (400-600 g / giorno) durante il periodo di gravidanza. Inoltre, se non adeguatamente protetti o trattati, I prodotti alimentari possono essere vettori di funghi e batteri patogeni rappresentando una fonte potenziale di malattie per l’uomo e una perdita economica per le industrie agro-alimentari. Nella seguente tesi si è quindi quindi studiato il ruolo di batteri lattici selezionati (LAB) in grado di aumentare il valore nutrizionale del latte attraverso la produzione di acido folico durante il processo di fermentazione. Inoltre, ci si è concentrati sul loro uso come "bio-conservanti" contro funghi e batteri, attraverso la sintesi di composti antimicrobici (batteriocine) in grado di inibire la crescita di funghi filamentosi e/o batteri patogeni. / The safety and quality of food are still a critical issue in developing countries. Diets with a low content of folic acid, for example, may cause serious health problems, especially in children. Severe disorders related to neural tube (NTD) in infants may arise from mothers having inadequate intakes of folic acid (400-600 g/dia) during the mother pregnancy period. Moreover foods, when not properly protected or treated, can be vectors of pathogenic fungi and bacteria thereby representing a potential source of human diseases and an economical loss for the food industry. In the following thesis we have therefore investigated the role of selected lactic acid bacteria (LAB) in increasing the nutritional value of milk through the production of folic acid during the fermentation process. In addition, we focused on their use as “bio-preservatives” against fungal and bacterial spoilage, through the synthesis of antimicrobial compounds (bacteriocins) able to inhibit the growth of filamentous fungi and /or pathogenic bacteria.

In agricoltura, i pesticidi sono stati usati molto frequentemente per salvaguardare le colture dagli attacchi di parassiti e dalle malattie. Questi pesticidi, oltre a uccidere gli organismi target, molte volte colpiscono anche gli organismi non-target. Tra gli organismi non-target, possiamo individuare molti microrganismi utili a determinare la fertilità e la qualità del terreno. La presenza di questi xenobiotici nel terreno può influenzare i principali cicli biogeochimici (N, C, S, P) e altre vie metaboliche (es. β-ketoadipate). In questo studio abbiamo analizzato gli effetti di isoproturon, tebuconazole e chlorpyrifos sull’abbondanza, sulla struttura e sulla diversità della comunità microbica. Inoltre, abbiamo anche studiato gli effetti di questi pesticidi sui geni coinvolti nel ciclo dell’azoto. Si è potuto notare che l’abbondanza della comunità batterica è molto influenzata dall’applicazione del fungicida tebuconazole . Per quanto riguarda gli studi sulla funzionalità e diversità della popolazione microbica, l’applicazione di questi pesticidi sembra non indurre una chiara dose-dipendente e un effetto tempo. Diversamente, in relazione all’analisi sulla diversità microbica, possiamo affermare che l’applicazione di questi tre pesticidi ha influenzato il numero di OTU rilevate; tuttavia, l’indice di diversità (H’) ci dice che l’uso di questi pesticidi porta ad un incremento della diversità all’interno dei campioni trattati. In conclusione, è possibile affermare che l’applicazione di questi pesticidi influenza l’abbondanza e la funzionalità della popolazione microbica, ma non induce una diminuzione della diversità all’interno della medesima comunità. / In agriculture, pesticides have been frequently used to protect crops from pest and disease attacks. Many times such pesticides, besides killing the target organisms, hit non-target organisms. Among the non-target organisms, we can find many useful microorganisms that determine fertility and soil quality. The presence of these xenobiotics in soil can influence the main biogeochemical cycles (N, C, S, P) and other metabolic pathways (eg. Β-ketoadipate). In this study, we investigated the effects of isoproturon, tebuconazole and chlorpyrifos on the abundance, the structure and the diversity of the microbial community. We have also studied the effects of these pesticides on the genes involved in the nitrogen cycle. It was observed that the abundance of the bacterial community is significantly affected by the application of the fungicide tebuconazole. As for the studies on the functionality and the diversity of the bacterial population, the application of these pesticides does not seem to induce a clear dose-dependent nor a time effect. On the contrary, with respect to the analysis on microbial diversity, we observed that the application of these three pesticides did influence the number of detected OTU, whereas the diversity index (H') tells us that the use of such pesticides leads to an increase of diversity within the treated samples. Finally, we can conclude that the application of these pesticides affects the abundance and function of the microbial population, but does not lead to lower diversity within the same community.