Histogram-based DNA analysis for the visualization of chromosome, genome and species information

We describe a novel approach to explore DNA nucleotide sequence data, aiming to produce high-level categorical and structural information about the underlying chromosomes, genomes and species. The article starts by analyzing chromosomal data through histograms using fixed length DNA sequences. After creating the DNA-related histograms, a correlation between pairs of histograms is computed, producing a global correlation matrix. These data are then used as input to several data processing methods for information extraction and tabular/graphical output generation. A set of 18 species is processed and the extensive results reveal that the proposed method is able to generate significant and diversified outputs, in good accordance with current scientific knowledge in domains such as genomics and phylogenetics.

Multi-dimensional scaling applied to histogram-based DNA analysis

This paper aims to study the relationships between chromosomal DNA sequences of twenty species. We propose a methodology combining DNA-based word frequency histograms, correlation methods, and an MDS technique to visualize structural information underlying chromosomes (CRs) and species. Four statistical measures are tested (Minkowski, Cosine, Pearson product-moment, and Kendall τ rank correlations) to analyze the information content of 421 nuclear CRs from twenty species. The proposed methodology is built on mathematical tools and allows the analysis and visualization of very large amounts of stream data, like DNA sequences, with almost no assumptions other than the predefined DNA “word length.” This methodology is able to produce comprehensible three-dimensional visualizations of CR clustering and related spatial and structural patterns. The results of the four test correlation scenarios show that the high-level information clusterings produced by the MDS tool are qualitatively similar, with small variations due to each correlation method characteristics, and that the clusterings are a consequence of the input data and not method’s artifacts.

Optical fiber sensor for Hg(II) based on carbon dots

An optical fiber sensor for Hg(II) in aqueous solution based on sol–gel immobilized carbon dots nanoparticles functionalized with PEG200 and N-acetyl-l-cysteine is described. This sol–gel method generated a thin (about 750 nm), homogenous and smooth (roughness of 2.7±0.7 a˚ ) filmthat immobilizes the carbon dots and allows reversible sensing of Hg(II) in aqueous solution. A fast (less than 10 s), reversible and stable (the fluorescence intensity measurements oscillate less than 1% after several calibration cycles) sensor system was obtained. The sensor allow the detection of submicron molar concentrations of Hg(II) in aqueous solution. The fluorescence intensity of the immobilized carbon dots is quenched by the presence of Hg(II) with a Stern-Volmer constant (pH = 6.8) of 5.3×105M−1.

A remote engineering solution for automating a roller hearth kiln

Remote engineering (also known as online engineering) may be defined as a combination of control engineering and telematics. In this area, specific activities require computacional skills in order to develop projects where electrical devives are monitored and / or controlled, in an intercative way, through a distributed network (e.g. Intranet or Internet). In our specific case, we will be dealing with an industrial plant. Within the last few years, there has been an increase in the number of activities related to remote engineering, which may be connected to the phenomenon of the large extension experienced by the Internet (e.g. bandwith, number of users, development tools, etc.). This increase opens new and future possibilities to the implementation of advance teleworking (or e-working) positions. In this paper we present the architecture for a remote application, accessible through the Internet, able to monitor and control a roller hearth kiln, used in a ceramics industry for firing materials. The proposed architecture is based on a micro web server, whose main function is to monitor and control the firing process, by reading the data from a series of temperature sensors and by controlling a series of electronic valves and servo motors. This solution is also intended to be a low-cost alternative to other potential solutions. The temperature readings are obtained through K-type thermopairs and the gas flow is controlled through electrovalves. As the firing process should not be stopped before its complete end, the system is equipped with a safety device for that specific purpose. For better understanding the system to be automated and its operation we decided to develop a scale model (100:1) and experiment on it the devised solution, based on a Micro Web Server.

Embedding instruments & modules into an IEEE1451-FPGA-Based Weblab infrastructure

Adopting standard-based weblab infrastructures can be an added value for spreading their influence and acceptance in education. This paper suggests a solution based on the IEEE1451.0 Std. and FPGA technology for creating reconfigurable weblab infrastructures using Instruments and Modules (I&Ms) described through standard Hardware Description Language (HDL) files. It describes a methodology for creating and binding I&Ms into an IEEE1451-module embedded in a FPGA-based board able to be remotely controlled/accessed using IEEE1451-HTTP commands. At the end, an example of a step-motor controller module bond to that IEEE1451-module is described.

Associação entre polimorfismo inserção/delecção da enzima conversora da angiotensina na diabetes mellitus tipo 2: estudo da população portuguesa

A Diabetes mellitus tipo 2 (DM2) é uma patologia de etiologia múltipla à qual estão associados vários factores genéticos. A Enzima Conversora da Angiotensina (ECA) tem sido alvo de vários estudos pela sua relação com factores pró-inflamatórios, pró-oxidantes e pró-fibrose, sendo o polimorfismo de Inserção/Delecção o mais estudado. Neste contexto, o objectivo deste estudo é assim verificar a distribuição deste polimorfismo numa amostra de indivíduos de nacionalidade portuguesa e verificar a sua possível associação com a DM2. Para tal, foram analisadas 87 amostras (controlos n =24 e diabéticos n =63) de indivíduos de nacionalidade portuguesa. As amostras foram submetidas a um processo de extracção de ADN, sendo posteriormente amplificadas por Polymerase Chain Reaction e analisadas por eletroforese em gel de agarose a 1%. Observou-se uma prevalência de 8% (n=7) com genótipo I/I, 38% (n=33) com genótipo I/D e 54% (n=47) com genótipo D/D. A amostra em estudo demonstrou assim estar sob o equilíbrio Hardy-Weinberg. Observou-se também uma associação entre níveis mais elevados de glicemia e o genótipo I/I (p=0,019). Na análise da utilização de insulina no controlo dos níveis de glicemia na DM2, observou-se uma maior proporção de indivíduos com genótipo D/D. Este estudo demonstra a importância do investimento da caracterização genética em patologias metabólicas multifactoriais como a DM2.

ß-lactamases in the biochemistry and molecular biology laboratory

β-lactamases are hydrolytic enzymes that inactivate the β-lactam ring of antibiotics such as penicillins and cephalosporins. The major diversity of studies carried out until now have mainly focused on the characterization of β-lactamases recovered among clinical isolates of Gram-positive staphylococci and Gram-negative enterobacteria, amongst others. However, only some studies refer to the detection and development of β-lactamases carriers in healthy humans, sick animals, or even in strains isolated from environmental stocks such as food, water, or soils. Considering this, we proposed a 10-week laboratory programme for the Biochemistry and Molecular Biology laboratory for majors in the health, environmental, and agronomical sciences. During those weeks, students would be dealing with some basic techniques such as DNA extraction, bacterial transformation, polymerase chain reaction (PCR), gel electrophoresis, and the use of several bioinformatics tools. These laboratory exercises would be conducted as a mini research project in which all the classes would be connected with the previous ones. This curriculum was compared in an experiment involving two groups of students from two different majors. The new curriculum, with classes linked together as a mini research project, was taught to a major in Pharmacy and an old curriculum was taught to students from environmental health. The results showed that students who were enrolled in the new curriculum obtained better results in the final exam than the students who were enrolled in the former curriculum. Likewise, these students were found to be more enthusiastic during the laboratory classes than those from the former curriculum.

Electroanalytical study of the pesticide asulam

The electrochemical behaviour of the herbicide Asulam was studied by cyclic and square wave voltammetry. Asulam may be irreversibly oxidised at a glassy carbon electrode. Maximum currents were obtained at pH=1.9 in aqueous electrolyte solution. Based on the electrochemical behaviour of Asulam, two analytical methodologies were developed for its determination in water samples, using square wave voltammetry (SWV) and flow injection analysis (FIA) coupled with an amperometric detector. Limits of detection of 7.1x10-6 mol L-1 and 1.2x10-8 mol L-1 for SWV and FIA respectively, were achieved. Repeatability was calculated by assessing the relative standard deviation (%) for 10 consecutive determinations of one sample. The found values were 2.1% for SWV and 5.0% for FIA. Validation of the results provided by SWV and FIA methodologies was performed by comparison with results from an HPLC-DAD technique. Good relative deviations were found (<5%). Recovery trials were performed to assess the accuracy of the results and the obtained values were between 84% and 107% for both methods.

Navegação de robôs móveis por marcas artificiais em ambientes semi-estruturados

Mestrado em engenharia electrotécnica e de computadores - Área de Especialização de Sistemas Autónomos

RealCrono –sistema de difusão de resultados em tempo real na web

A velocidade de difusão de conteúdos numa plataforma web, assume uma elevada relevância em serviços onde a informação se pretende atualizada e em tempo real. Este projeto de Mestrado, apresenta uma abordagem de um sistema distribuído de recolher e difundir resultados em tempo real entre várias plataformas, nomeadamente sistemas móveis. Neste contexto, tempo real entende-se como uma diferença de tempo nula entre a recolha e difusão, ignorando fatores que não podem ser controlados pelo sistema, como latência de comunicação e tempo de processamento. Este projeto tem como base uma arquitetura existente de processamento e publicação de resultados desportivos, que apresentava alguns problemas relacionados com escalabilidade, segurança, tempos de entrega de resultados longos e sem integração com outras plataformas. Ao longo deste trabalho procurou-se investigar fatores que condicionassem a escalabilidade de uma aplicação web dando ênfase à implementação de uma solução baseada em replicação e escalabilidade horizontal. Procurou-se também apresentar uma solução de interoperabilidade entre sistemas e plataformas heterogêneas, mantendo sempre elevados níveis de performance e promovendo a introdução de plataformas móveis no sistema. De várias abordagens existentes para comunicação em tempo real sobre uma plataforma web, adotou-se um implementação baseada em WebSocket que elimina o tempo desperdiçado entre a recolha de informação e sua difusão. Neste projeto é descrito o processo de implementação da API de recolha de dados (Collector), da biblioteca de comunicação com o Collector, da aplicação web (Publisher) e sua API, da biblioteca de comunicação com o Publisher e por fim a implementação da aplicação móvel multi-plataforma. Com os componentes criados, avaliaram-se os resultados obtidos com a nova arquitetura de forma a aferir a escalabilidade e performance da solução criada e sua adaptação ao sistema existente.

Implementação ESB numa unidade hospitalar. Uso normalizado de mensagens HL7

Atualmente, os sistemas de informação hospitalares têm de possibilitar uma utilização diferenciada pelos diferentes intervenientes, num cenário de constante adaptação e evolução. Para tal, é essencial a interoperabilidade entre os sistemas de informação do hospital e os diversos fornecedores de serviços, assim como dispositivos hospitalares. Apesar da necessidade de suportar uma heterogeneidade entre sistemas ser fundamental, o acesso/troca de informação deve ser feito de uma forma protocolada, segura e transparente. A infraestrutura de informação médica moderna consiste em muitos sistemas heterogéneos, com diversos mecanismos para controlar os dados subjacentes. Informações relativas a um único paciente podem estar dispersas por vários sistemas (ex: transferência de pacientes, readmissão, múltiplos tratamentos, etc.). Torna-se evidente a necessidade aceder a dados do paciente de forma consolidada a partir de diferentes locais. Desta forma, é fundamental utilizar uma arquitetura que promova a interoperabilidade entre sistemas. Para conseguir esta interoperabilidade, podem-se implementar camadas de “middleware” que façam a adaptação das trocas de informação entre os sistemas. Todavia, não resolvemos o problema subjacente, ou seja, a necessidade de utilização de um standard para garantir uma interacção fiável entre cliente/fornecedor. Para tal, é proposto uma solução que passa por um ESB dedicado para a área da saúde, denominada por HSB (Healthcare Service Bus). Entre as normas mais usuais nesta área devem-se salientar o HL7 e DICOM, esta última mais especificamente para dispositivos de imagem hospitalar, sendo a primeira utilizada para gestão e trocas de informação médica entre sistemas. O caso de estudo que serviu de base a esta dissertação é o de um hospital de média dimensão cujo sistema de informação começou por ser uma solução monolítica, de um só fornecedor. Com o passar dos anos, o fornecedor único desagregou-se em vários, independentes e concorrentes, dando lugar a um cenário extremamente preocupante em termos de manutenção e evolução futura do sistema de informação existente. Como resultado do trabalho efetuado, foi proposta uma arquitetura que permite a evolução do sistema atual de forma progressiva para um HSB puro.

Estudo e desenvolvimento de uma solução de monitorização estrutural em túneis baseada na tecnologia de redes de Bragg em fibra ótica

Ao longo dos últimos anos, vários esforços e estudos foram feitos com o objetivo de colocar a fibra ótica no mercado, como um sistema preferencial de monitorização das mais diversas obras de Engenharia. Os sensores baseados na tecnologia em fibra ótica apresentam vantagens reconhecidas pelos mais diversos especialistas, sendo atualmente reconhecida como uma das soluções mais eficazes. Na engenharia Civil, a monitorização das grandes obras tem ganho uma importância crescente. Neste contexto, a monitorização de convergências em túneis visa o controlo da respectiva integridade estrutural ao longo da construção e a exploração da obra. Atualmente a solução de monitorização estrutural de túneis utilizada pela FiberSensing é uma solução desenhada em conjunto com a EPOS e o Cegeo (IST), baseada em sensores de Bragg em Fibra Ótica: o SysTunnel. O objetivo do estudo de uma solução alternativa encontra-se no facto do SysTunnel apresentar algumas debilidades no algoritmo de cálculo, sendo para o seu cálculo necessário a introdução de um parâmetro relacionado com o solo envolvente do túnel, facto que introduz incertezas no cálculo das convergências. O presente relatório tem como finalidade documentar o estágio curricular realizado na FiberSensing, entre 01/02/2014 a 31/07/2014. Este estágio teve como objetivo o desenvolvimento de uma solução alternativa de monitorização estrutural baseada na tecnologia das redes de Bragg para a monitorização das convergências em túneis.

Migração de ligações Wi-Fi não seguras para ligações seguras, após autenticação em captive portal

Atualmente a popularidade das comunicações Wi-Fi tem crescido, os utilizadores acedem a partir de vários dispositivos como telemóveis, tablets, computadores portáteis sendo estes utilizados por qualquer pessoa nos mais variados locais. Com esta utilização massiva por parte dos utilizadores surgiram os hotspots Wi-Fi públicos (em aeroportos, estações de comboios, etc) que permitem a ligação de clientes recorrendo a ligações wireless não seguras (ou abertas). Tais hotspots utilizam, após a ligação de um cliente, um captive portal que captura o tráfego IP com origem no cliente e o redireciona para uma página Web de entrada. A página Web permite ao cliente comprar tempo de acesso à Internet ou, caso já seja um cliente da empresa, autenticar-se para ter acesso à Internet. A necessidade da ligação aberta assenta na possibilidade do operador do hotspot vender acesso à Internet a utilizadores não conhecidos (caso contrário teria de fornecerlhes uma senha previamente). No entanto, fornecer um acesso à Internet wireless sem qualquer tipo de segurança ao nível físico permite que qualquer outro utilizador consiga obter informação sobre a navegação Web dos utilizadores ligados (ex.: escuta de pedidos DNS). Nesta tese pretende-se apresentar uma solução que estenda um dos atuais mecanismos de autenticação Wi-Fi (WPA, WPA2) para que permita, após autenticação em captive portal, a migração de uma ligação aberta para uma ligação segura.

DNA-based biosensor for the electrocatalytic determination of antioxidant capacity in beverages

Reactive oxygen species (ROS) are produced as a consequence of normal aerobic metabolism and are able to induce DNA oxidative damage. At the cellular level, the evaluation of the protective effect of antioxidants can be achieved by examining the integrity of the DNA nucleobases using electrochemical techniques. Herein, the use of an adenine-rich oligonucleotide (dA21) adsorbed on carbon paste electrodes for the assessment of the antioxidant capacity is proposed. The method was based on the partial damage of a DNA layer adsorbed on the electrode surface by OH• radicals generated by Fenton reaction and the subsequent electrochemical oxidation of the intact adenine bases to generate an oxidation product that was able to catalyze the oxidation of NADH. The presence of antioxidant compounds scavenged hydroxyl radicals leaving more adenines unoxidized, and thus, increasing the electrocatalytic current of NADHmeasured by differential pulse voltammetry (DPV). Using ascorbic acid (AA) as a model antioxidant species, the detection of as low as 50nMof AA in aqueous solution was possible. The protection efficiency was evaluated for several antioxidant compounds. The biosensor was applied to the determination of the total antioxidant capacity (TAC) in beverages.

A label-free DNA aptamer-based impedance biosensor for the detection of E. coli outer membrane proteins

A label-free DNA aptamer-based impedance biosensor for the detection of E. coli outer membrane proteins (OMPs) was developed. Two single stranded DNA sequences were tested as recognition elements and compared. The aptamer capture probes were immobilized, with and without 6-mercapto-1-hexanol (MCH) on a gold electrode. Each step of the modification process was characterized by Faradaic impedance spectroscopy (FIS). A linear relationship between the electron-transfer resistance (Ret) and E. coli OMPs concentration was demonstrated in a dynamic detection range of 1 × 10−7–2 × 10−6 M. Moreover, the aptasensor showed selectivity despite the presence of other possible water contaminates and could be regenerated under low pH condition. The developed biosensor shows great potential to be incorporated in a biochip and used for in situ detection of E. coli OMPs in water samples.