Automatic learning for the classification of chemical reactions and in statistical thermodynamics

This Thesis describes the application of automatic learning methods for a) the classification of organic and metabolic reactions, and b) the mapping of Potential Energy Surfaces(PES). The classification of reactions was approached with two distinct methodologies: a representation of chemical reactions based on NMR data, and a representation of chemical reactions from the reaction equation based on the physico-chemical and topological features of chemical bonds. NMR-based classification of photochemical and enzymatic reactions. Photochemical and metabolic reactions were classified by Kohonen Self-Organizing Maps (Kohonen SOMs) and Random Forests (RFs) taking as input the difference between the 1H NMR spectra of the products and the reactants. The development of such a representation can be applied in automatic analysis of changes in the 1H NMR spectrum of a mixture and their interpretation in terms of the chemical reactions taking place. Examples of possible applications are the monitoring of reaction processes, evaluation of the stability of chemicals, or even the interpretation of metabonomic data. A Kohonen SOM trained with a data set of metabolic reactions catalysed by transferases was able to correctly classify 75% of an independent test set in terms of the EC number subclass. Random Forests improved the correct predictions to 79%. With photochemical reactions classified into 7 groups, an independent test set was classified with 86-93% accuracy. The data set of photochemical reactions was also used to simulate mixtures with two reactions occurring simultaneously. Kohonen SOMs and Feed-Forward Neural Networks (FFNNs) were trained to classify the reactions occurring in a mixture based on the 1H NMR spectra of the products and reactants. Kohonen SOMs allowed the correct assignment of 53-63% of the mixtures (in a test set). Counter-Propagation Neural Networks (CPNNs) gave origin to similar results. The use of supervised learning techniques allowed an improvement in the results. They were improved to 77% of correct assignments when an ensemble of ten FFNNs were used and to 80% when Random Forests were used. This study was performed with NMR data simulated from the molecular structure by the SPINUS program. In the design of one test set, simulated data was combined with experimental data. The results support the proposal of linking databases of chemical reactions to experimental or simulated NMR data for automatic classification of reactions and mixtures of reactions. Genome-scale classification of enzymatic reactions from their reaction equation. The MOLMAP descriptor relies on a Kohonen SOM that defines types of bonds on the basis of their physico-chemical and topological properties. The MOLMAP descriptor of a molecule represents the types of bonds available in that molecule. The MOLMAP descriptor of a reaction is defined as the difference between the MOLMAPs of the products and the reactants, and numerically encodes the pattern of bonds that are broken, changed, and made during a chemical reaction. The automatic perception of chemical similarities between metabolic reactions is required for a variety of applications ranging from the computer validation of classification systems, genome-scale reconstruction (or comparison) of metabolic pathways, to the classification of enzymatic mechanisms. Catalytic functions of proteins are generally described by the EC numbers that are simultaneously employed as identifiers of reactions, enzymes, and enzyme genes, thus linking metabolic and genomic information. Different methods should be available to automatically compare metabolic reactions and for the automatic assignment of EC numbers to reactions still not officially classified. In this study, the genome-scale data set of enzymatic reactions available in the KEGG database was encoded by the MOLMAP descriptors, and was submitted to Kohonen SOMs to compare the resulting map with the official EC number classification, to explore the possibility of predicting EC numbers from the reaction equation, and to assess the internal consistency of the EC classification at the class level. A general agreement with the EC classification was observed, i.e. a relationship between the similarity of MOLMAPs and the similarity of EC numbers. At the same time, MOLMAPs were able to discriminate between EC sub-subclasses. EC numbers could be assigned at the class, subclass, and sub-subclass levels with accuracies up to 92%, 80%, and 70% for independent test sets. The correspondence between chemical similarity of metabolic reactions and their MOLMAP descriptors was applied to the identification of a number of reactions mapped into the same neuron but belonging to different EC classes, which demonstrated the ability of the MOLMAP/SOM approach to verify the internal consistency of classifications in databases of metabolic reactions. RFs were also used to assign the four levels of the EC hierarchy from the reaction equation. EC numbers were correctly assigned in 95%, 90%, 85% and 86% of the cases (for independent test sets) at the class, subclass, sub-subclass and full EC number level,respectively. Experiments for the classification of reactions from the main reactants and products were performed with RFs - EC numbers were assigned at the class, subclass and sub-subclass level with accuracies of 78%, 74% and 63%, respectively. In the course of the experiments with metabolic reactions we suggested that the MOLMAP / SOM concept could be extended to the representation of other levels of metabolic information such as metabolic pathways. Following the MOLMAP idea, the pattern of neurons activated by the reactions of a metabolic pathway is a representation of the reactions involved in that pathway - a descriptor of the metabolic pathway. This reasoning enabled the comparison of different pathways, the automatic classification of pathways, and a classification of organisms based on their biochemical machinery. The three levels of classification (from bonds to metabolic pathways) allowed to map and perceive chemical similarities between metabolic pathways even for pathways of different types of metabolism and pathways that do not share similarities in terms of EC numbers. Mapping of PES by neural networks (NNs). In a first series of experiments, ensembles of Feed-Forward NNs (EnsFFNNs) and Associative Neural Networks (ASNNs) were trained to reproduce PES represented by the Lennard-Jones (LJ) analytical potential function. The accuracy of the method was assessed by comparing the results of molecular dynamics simulations (thermal, structural, and dynamic properties) obtained from the NNs-PES and from the LJ function. The results indicated that for LJ-type potentials, NNs can be trained to generate accurate PES to be used in molecular simulations. EnsFFNNs and ASNNs gave better results than single FFNNs. A remarkable ability of the NNs models to interpolate between distant curves and accurately reproduce potentials to be used in molecular simulations is shown. The purpose of the first study was to systematically analyse the accuracy of different NNs. Our main motivation, however, is reflected in the next study: the mapping of multidimensional PES by NNs to simulate, by Molecular Dynamics or Monte Carlo, the adsorption and self-assembly of solvated organic molecules on noble-metal electrodes. Indeed, for such complex and heterogeneous systems the development of suitable analytical functions that fit quantum mechanical interaction energies is a non-trivial or even impossible task. The data consisted of energy values, from Density Functional Theory (DFT) calculations, at different distances, for several molecular orientations and three electrode adsorption sites. The results indicate that NNs require a data set large enough to cover well the diversity of possible interaction sites, distances, and orientations. NNs trained with such data sets can perform equally well or even better than analytical functions. Therefore, they can be used in molecular simulations, particularly for the ethanol/Au (111) interface which is the case studied in the present Thesis. Once properly trained, the networks are able to produce, as output, any required number of energy points for accurate interpolations.

Índice de distorção, parâmetros celulares e composição química de cordierite de granitóides e corneanas da região de Tondela - Oliveira do Hospital (Portugal Central)

Memórias e Noticias, PubI. Mus. Lab. Mineral. Geol., Univ. Coimbra, n.O 116, 1993

Sensibilidade à insulina pós-prandial: mecanismos fisiológicos e de activação e fisiopatologia na obesidade

RESUMO A acção hipoglicemiante da insulina é máxima no estado pós-prandial e depende da substância hepática sensibilizadora da insulina (HISS). Esta dissertação visa o estudo do mecanismo de acção da insulina no estado pós-prandial e em particular da via dependente da HISS, em modelos animais fisiológicos e patológicos (obesidade e diabetes mellitus tipo 2). Avaliaram-se diferentes tipos de refeição quanto ao seu efeito potenciador da acção da insulina, em ratos Sprague-Dawley (modelo fisiológico). A administração intragástrica de glícidos não afecta a acção da insulina, mas a refeição mista (lípidos, glícidos e proteínas), promove a sensibilização para a acção da insulina, através de um processo que parece ser iniciado no intestino e envolve a activação da via da HISS. Nos estudos de obesidade, o primeiro modelo utilizado foi o rato alimentado com dieta hiperlipídica (HFD), no qual se observou uma insulinorresistência pós-prandial devida quase exclusivamente à perda de acção da HISS, que se correlaciona com a adiposidade (corporal e abdominal) e parece ser devida à diminuição da sua síntese. O segundo modelo de obesidade usado foi o rato Zucker obeso (OZR), modelo genético que apresenta uma diminuição idêntica de ambas as componentes de acção da insulina (dependente e independente da HISS). A alteração na via da HISS parece localizar-se a jusante da sua síntese, sugerindo que um ou vários pontos comuns entre as vias de sinalização intracelular da HISS e da insulina per se estão alterados, resultando num diminuto aporte de glucose. No OZR, a acção da HISS não se altera com a idade, apresentando-se baixa também às 52 semanas de idade. Em ratos não obesos (LZR), a acção da HISS diminui entre as 9 e 52 semanas, sendo acompanhada por um decréscimo menos acentuado, embora significativo, da acção da insulina per se. A diminuição da acção da HISS com a idade parece ser a principal causa de insulinorresistência pós-prandial em LZR velhos, não se agravando no OZR. No modelo de diabetes tipo 2 estudado, o rato Zucker diabético (ZDF), também ambas as componentes de acção da insulina estavam diminuídas. No entanto, a alimentação com ração Purina, ligeiramente mais energética e lipídica do que a ração standard, agrava a disfunção da via da HISS nestes animais, sugerindo que a sensibilidade à insulina em ratos ZDF é muito susceptível a factores nutricionais. A via da HISS é essencial para potenciar a acção da insulina do estado de jejum para o pós-prandial e a sua disfunção é em grande medida responsável pela insulinorresistência observada nos modelos animais de obesidade e diabetes estudados. xix SUMMARY Hypoglycemic insulin action is maximal in the postprandial state and depends on the hepatic insulin sensitizing substance (HISS). The present thesis focus on the postprandial insulin action and, in particular, on the HISS-dependent pathway, both in physiological and pathological (obesity and type 2 diabetes mellitus) animal models. Different meals were tested in Sprague-Dawley rats (physiological model) for their capacity to potentiate insulin action. It was observed that intragastric administration of either glucose or sucrose does not affect insulin sensitivity, unlike the mixed meal, composed of lipids carbohydrates and proteins, which significantly potentiated insulin action through a process that seems to be initiated at the intestine and involves activation of the HISS pathway. For the obesity studies, the first of the two obesity models used was the high fat-fed rat (HFD), in which the postprandial insulin resistance was almost exclusively caused by the decrease of HISS action, probably due to the impairment of HISS synthesis. This impairment correlates with both corporal and abdominal adiposity. The second obesity model used was the obese Zucker rat (OZR), a genetic model, which presented a similar impairment of both components of insulin action (HISSdependent and –independent). The modification in HISS pathway in OZR seems to be located downstream from HISS synthesis, that is, at its site of action – the skeletal muscle -, suggesting that one or several points common to both HISS and insulin per se signaling cascades are defective, resulting in a decreased glucose uptake. In OZR, HISS action does not decrease with age and is also low at 52 weeks of age. In non-obese rats (LZR), HISS action decreases from 9 to 52 weeks and it is accompanied by a lower, although significant, impairment of insulin action per se. HISS action impairment with aging seems to be the major cause of insulin resistance in old LZR, whereas insulin resistance is not aggravated in aging OZR. In the type 2 diabetes model, the diabetic Zucker rat (ZDF), both components of insulin action were also equally impaired. However, feeding the animals with Purina rat chow, which is slightly more caloric and more lipidic, induces additional HISS deterioration when compared with the standard lab diet, suggesting that insulin sensitivity in ZDF is very susceptible to nutritional factors. In conclusion, HISS pathway is essential to potentiate insulin action from the fasted to the fed state and its dysfunction is highly responsible for the insulin resistance observed in the obesity and diabetes animal models studied.

Modern techniques for constraint solving the CASPER experience

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Informática, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Modelling of the kinetics of municipal solid waste composting in full-scale mechanical-biological treatment plants

A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Sanitary Engineering in the Faculty of Sciences and Technology of the New University of Lisbon

Constraint-based modeling of minimum set covering: application to species differentation

Work presented in the context of the European Master in Computational Logics, as partial requisit for the graduation as Master in Computational Logics

Intraferência : hacktivismo urbano digital, uma forma de preservação do património e promoção artística

Trabalho de Projecto apresentado para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Novos Média e Prácticas Web

Full-scale biological phosphorus removal: quantification of storage polymers, microbial performance and metabolic modelling

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Low-Spin Heme b3 in the Catalytic Center of Nitric Oxide Reductase from Pseudomonas nautica

Biochemistry, 2011, 50 (20), pp 4251–4262 DOI: 10.1021/bi101605p

Artefacts induced on c-type haem proteins by electrode surfaces

J Biol Inorg Chem (2011) 16:209–215 DOI 10.1007/s00775-010-0717-z

Desulfovibrio gigas ferredoxin II: redox structural modulation of the [3Fe–4S] cluster

J Biol Inorg Chem (2006) 11: 307–315 DOI 10.1007/s00775-005-0077-2

The isolation and characterization of cytochrome c nitrite reductase subunits (NrfA and NrfH) from Desulfovibrio desulfuricans ATCC 27774

Eur. J. Biochem. 270, 3904–3915 (2003) doi:10.1046/j.1432-1033.2003.03772.x

O2/CO2-sensitive cyclic AMP-signalling pathway in peripheral chemoreceptors

RESUMO: O corpo carotídeo (CB) é um pequeno órgão sensível a variações na PaO2, PaCO2 e pH. As células tipo I (células glómicas) do corpo carotídeo, as unidades sensoriais deste órgão, libertam neurotransmissores em resposta às variações dos gases arteriais. Estes neurotransmissores atuam quer em recetores pré-sinápticos, localizados nas células tipo I, quer em recetores póssinápticos, localizados nas terminações do nervo do seio carotídeo, ou em ambos. A activação dos recetores pré-sinápticos modula a atividade do corpo carotídeo, enquanto que, a activação dos recetores pós-sinápticos, de carater excitatório, desencadeia um aumento da frequência de descarga das fibras do CSN, com subsequente despolarização dos neurónios do gânglio petroso, e posterior despolarização de um grupo específico de neurónios do centro respiratório central, desencadeando, como resposta final, hiperventilação. Estes recetores pré- e pós-sinápticos podem ser classificados em ionotrópicos ou metabotrópicos, estando os últimos acoplados a adenilatos ciclases transmembranares (tmAC). O mecanismo exato pelo qual as variações dos gases arteriais são detetadas pelo CB não se encontra ainda completamente elucidado, mas tem sido sugerido que alterações nos níveis de cAMP estejam associadas ao mecanismo de deteção de variações de O2 e CO2. Os níveis de cAMP podem ser regulados através da sua via de síntese, mediada por dois tipos de adenilatos ciclases: tmAC sensível aos eurotransmissores e adenilato ciclase solúvel (sAC)sensível a variações de HCO3/CO2, e pela sua via de degradação mediada por fosfodiesterases. A via de degradação do cAMP pode ser manipulada farmacologicamente, funcionando enquanto alvo terapêutico para o tratamento de patologias do foro respiratório (e.g. asma, hipertensão pulmonar, doença pulmonar obstructiva crónica e apneia do sono), que induzem um aumento da actividade do CB.O trabalho descrito nesta dissertação partiu da hipótese de que a actividade do CB é manipulada por fármacos, que interferem com a via de sinalização do cAMP, tendo sido nosso objectivo geral, investigar o papel do cAMP na quimiotransdução do CB de rato, e determinar se a actividade dos enzimas responsáveis pela via de sinalização do cAMP é ou não regulada por variações de O2/CO2. Assim, a relevância deste trabalho é a de estudar e identificar possíveis alvos moleculares (sAC, isoformas de tmAC e PDE) com potencial para serem usados no tratamento de patologias relacionadas com o controlo respiratório. A primeira parte do presente trabalho, centrou-se na caracterização farmacológica da PDE4 no CB e em tecidos não quimiorecetores (e.g. gânglio cervical superior e artérias carótidas), e na observação do efeito de hipóxia aguda na acumulação dos níveis de cAMP, induzidos pelos inibidores de PDE, nestes tecidos. A quantificação de cAMP foi efectuada por técnica imunoenzimática (EIA), tendo sido elaboradas curvas de dose-resposta para os efeitos de inibidores, não específicos (IBMX) e específicos para a PDE2 e PDE4 (EHNA, Rolipram e Ro 20-1724), nos níveis de cAMP acumulados, em situações de normóxia (20%O2/5%CO2) e hipóxia (5%O2/5%CO2). A caracterização das PDE no gânglio cervical superior foi aprofundada, utilizando-se a técnica de transferência de energia de ressonância por fluorescência (FRET) em culturas primárias de neurónios, na presença de inibidores não específicos (IBMX) e específicos para a PDE3 e PDE4 (milrinone e rolipram, respetivamente). Foram igualmente estudadas, através de RT-qPCR, as alterações na expressão de PDE3A-B e PDE4A-D, no gânglio cervical superior, em resposta a diferentes percentagens de oxigénio. Na segunda parte do trabalho investigou-se a via de síntese do cAMP no CB em resposta a variações na concentração de HCO3/CO2. Em concreto, o protocolo experimental centrou-se na caracterização da sAC, dado que a sua actividade é regulada por variações de HCO3/CO2. A caracterização da expressão e regulação da sAC, em resposta a variações de HCO3/CO2 ,foi efectuada no CB e em tecidos não quimioreceptores periféricos (e.g. gânglio cervical superior, petroso e nodoso) por qRT-PCR. A actividade deste enzima foi caracterizada indirectamente através da quantificação dos níveis de cAMP (quantificação por EIA), induzidos por diferentes concentrações de HCO3/CO2, na presença de MDL-12,33-A, um inibidore da tmAC. A expressão das isoformas da tmAC no CB e gânglio petroso foi determinada por RT-qPCR. Adicionalmente, estudámos a contribuição relativa da tmAC e sAC no mecanismo de sensibilidade ao CO2 no CB. Para o efeito foram estudadas as alterações: 1) nos níveis de cAMP (quantificado por EIA) na presença de diferentes concentrações de HCO3/CO2 e ao longo do tempo (5-30 min); 2) na ativação da proteína cinase A (PKA, FRET baseado em sensores) em células tipo I do CB; e 3) na frequência de descarga do CSN (registos) na presença e ausência de ativadores e inibidores da sAC,tmAC e PKA. Por último, foi caracterizada a expressão e actividade da sAC nos quimioreceptors centrais (locus ceruleus, rafe e medula ventro-lateral) através de técnicas de RT-qPCR e EIA. A expressão das isoformas da tmAC foi aprofundada no locus coeruleus através de RT-qPCR. Por fim, comparámos a contribuição da tmAC e sAC nos níveis de cAMP no locus coeruleus em condições de normocapnia e hipercapnia.O nosso trabalho teve os seguintes resultados principais: 1) PDE4 está funcional no corpo carotídeo, artérias carótidas e gânglio cervical superior de rato, embora a PDE2 só se encontre funcional neste último; 2) Os efeitos dos inibidores de PDE nos níveis de acumulação de cAMP foram exacerbados em situações de hipóxia aguda no CB e artérias carótidas, mas foram atenuados no gânglio cervical superior; 3) No gânglio cervical superior, diferentes tipos de células apresentaram uma caracterização específica de PDEs, sugerindo uma subpopulação de células neste gânglio com funções fisiológicas distintas; 4) Embora todas as isoformas de PDE4 e PDE3 estivessem presentes no gânglio, a PDE3a, PDE4b e a PDE4d foram as isoformas mais expressas. Por outro lado, incubações de gânglio cervical superior, em diferentes percentagens de oxigénio, não alteraram (não regularam) significativamente a expressão das diferentes isoformas de PDE neste órgão; 5) a sAC encontra-se expressa e funcional no CB e nos quimiorecetores centrais estudados (locus coeruleus, rafe e medula ventrolateral). A sAC apresenta maior expressão no CB comparativamente aos restantes orgãos estudados, exceptuando os testículos, orgão controlo. Variações de HCO3/CO2 de 0/0 para 24/5 aumentaram os níveis de cAMP no CB e quimiorecetores centrais, tendo sido o aumento mais significativo observado no CB. Concentrações acima dos 24mM HCO3/5%CO2 não induziram alterações nos níveis de cAMP, sugerindo que a actividade da sAC se encontra saturada em condições fisiológicas (normocapnia) e que este enzima não desempenha qualquer papel na deteção de situações de hipercapnia; 6) No CB, a expressão das isoformas tmAC1, tmAC4, tmAC6 e tmAC9 é mais elevada comparativamente à expressão da sAC; 7) Utilizamos diferentes inibidores da tmAC (MDL 12-330A, 500μM, 2’5’-ddADO, 30-300μM, SQ 22536, 200μM) e da sAC (KH7, 10-100μM) para estudar a contribuição relativa destes enzimas na acumulação do cAMP no CB. Tanto a tmAC como a sAC contribuem para a acumulação dos níveis de cAMP em condições de hipercapnia. Contudo, existe um maior efeito destes inibidores nas condições de 12 mM HCO3/2.5%CO2 do que em condições de normocapnia e hipercapnia, sugerindo um papel relevante destes enzimas na atividade do CB em situações de hipocapnia; 8) Não se observaram variações nos níveis de cAMP em resposta a diferentes concentrações de HCO3/CO2 ao longo do tempo (5-30 min). O efeito inibitório induzido por ddADO e KH7 foi sobreponível após 5 ou 30 minutos de incubação em todas as concentrações de HCO3/CO2 estudadas; 9) Por último, verificou-se um aumento na frequência da descarga do nervo do seio carotídeo entre as condições de normocapnia e hipercapnia acídica. Ao contrário do KH7 (10μM), o 2’5’-ddADO reduziu significativamente a frequência de descarga do nervo, quer em condições de normocapnia quer de hipercapnia acídica. Contudo, não se verificou aumento na frequência de descarga do nervo entre normocapnia e hipercapnia isohídrica, sugerindo que a sensibilidade à hipercapnia no CB é mediada por variações de pH. Em conclusão, os resultados decorrentes deste trabalho permitiram demonstrar que, embora os enzimas que medeiam a via de sinalização do cAMP possam ser bons alvos terapêuticos em condições particulares, a sua actividade não é específica para o CB. Os resultados sugerem ainda que o cAMP não é um mediador específico da transdução à hipercapnia neste orgão. Contudo, os nossos resultados demonstraram que os níveis de cAMP são mais elevados em condições fisiológicas, o que sugere que o cAMP possa ter uma função homeostática neste orgão. Por último, o presente trabalho demonstrou que os aumentos de cAMP descritos por outros em condições de hipercapnia, não são observáveis quando o pH se encontra controlado. ------------------ ABSTRACT: The work presented in this dissertation was aimed to establish how specific is cAMP-signaling pathways in the CB mainly in different CO2 conditions and how O2 concentrations alter/drives the manipulation of cAMP signaling in the CB. The experimental studies included in this thesis sought to investigate the role of cAMP in the rat CB chemotransduction mechanisms and to determine whether the enzymes that participate in cAMP signal transduction in the CB are regulated by O2/CO2. We characterized the enzymes involved in the cAMP-signaling pathway in the CB (sAC, tmAC, PDE) under different O2/CO2 conditions. Our results demonstrated that many of these enzymes are involved in CO2/O2 sensing and while they may be useful in treating conditions with alterations in CO2/O2 sensing,they will not be specific to chemoreception within the CB: 1) PDE4 is ubiquitously expressed in CB and non-chemoreceptor related tissues and their affinity to inhibitors change with O2 tensions in both CB and carotid arteries, and 2) sAC and tmAC are expressed in peripheral and central chemo- and non-chemoreceptor tissues and their effect on cAMP levels do not change between normocapnic and isohydric hypercapnic conditions. Our results provide evidence against a specific role of cAMP as a mediator for O2 and CO2 chemotransduction in the rat CB and emphasized the role of pH in CO2 sensitivity of the CB. Furthermore, our results demonstrate that cAMP levels are maintained higher under physiological conditions, supporting recent finding from our lab, which all together suggests that cAMP has a homeostatic function in this organ.