A comparative analysis of two methods for the calculation of electric-field-induced perturbations to molecular vibration

Two common methods of accounting for electric-field-induced perturbations to molecular vibration are analyzed and compared. The first method is based on a perturbation-theoretic treatment and the second on a finite-field treatment. The relationship between the two, which is not immediately apparent, is made by developing an algebraic formalism for the latter. Some of the higher-order terms in this development are documented here for the first time. As well as considering vibrational dipole polarizabilities and hyperpolarizabilities, we also make mention of the vibrational Stark effec

A comparative analysis by means of quantum molecular similarity measures of density distributions derived from conventional ab initio and density functional methods

A procedure based on quantum molecular similarity measures (QMSM) has been used to compare electron densities obtained from conventional ab initio and density functional methodologies at their respective optimized geometries. This method has been applied to a series of small molecules which have experimentally known properties and molecular bonds of diverse degrees of ionicity and covalency. Results show that in most cases the electron densities obtained from density functional methodologies are of a similar quality than post-Hartree-Fock generalized densities. For molecules where Hartree-Fock methodology yields erroneous results, the density functional methodology is shown to yield usually more accurate densities than those provided by the second order Møller-Plesset perturbation theory

Two complementary molecular energy decomposition schemes: the Mayer and Ziegler-Rauk methods in comparison

In the present paper we discuss and compare two different energy decomposition schemes: Mayer's Hartree-Fock energy decomposition into diatomic and monoatomic contributions [Chem. Phys. Lett. 382, 265 (2003)], and the Ziegler-Rauk dissociation energy decomposition [Inorg. Chem. 18, 1558 (1979)]. The Ziegler-Rauk scheme is based on a separation of a molecule into fragments, while Mayer's scheme can be used in the cases where a fragmentation of the system in clearly separable parts is not possible. In the Mayer scheme, the density of a free atom is deformed to give the one-atom Mulliken density that subsequently interacts to give rise to the diatomic interaction energy. We give a detailed analysis of the diatomic energy contributions in the Mayer scheme and a close look onto the one-atom Mulliken densities. The Mulliken density ρA has a single large maximum around the nuclear position of the atom A, but exhibits slightly negative values in the vicinity of neighboring atoms. The main connecting point between both analysis schemes is the electrostatic energy. Both decomposition schemes utilize the same electrostatic energy expression, but differ in how fragment densities are defined. In the Mayer scheme, the electrostatic component originates from the interaction of the Mulliken densities, while in the Ziegler-Rauk scheme, the undisturbed fragment densities interact. The values of the electrostatic energy resulting from the two schemes differ significantly but typically have the same order of magnitude. Both methods are useful and complementary since Mayer's decomposition focuses on the energy of the finally formed molecule, whereas the Ziegler-Rauk scheme describes the bond formation starting from undeformed fragment densities

Developing discontinuous Galerkin methods for the resolution of the incompressible Navier-Stokes equations

Informe de investigación elaborado a partir de una estancia en el Laboratorio de Diseño Computacional en Aeroespacial en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), Estados Unidos, entre noviembre de 2006 y agosto de 2007. La aerodinámica es una rama de la dinámica de fluidos referida al estudio de los movimientos de los líquidos o gases, cuya meta principal es predecir las fuerzas aerodinámicas en un avión o cualquier tipo de vehículo, incluyendo los automóviles. Las ecuaciones de Navier-Stokes representan un estado dinámico del equilibrio de las fuerzas que actúan en cualquier región dada del fluido. Son uno de los sistemas de ecuaciones más útiles porque describen la física de una gran cantidad de fenómenos como corrientes del océano, flujos alrededor de una superficie de sustentación, etc. En el contexto de una tesis doctoral, se está estudiando un flujo viscoso e incompresible, solucionando las ecuaciones de Navier- Stokes incompresibles de una manera eficiente. Durante la estancia en el MIT, se ha utilizado un método de Galerkin discontinuo para solucionar las ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles usando, o bien un parámetro de penalti para asegurar la continuidad de los flujos entre elementos, o bien un método de Galerkin discontinuo compacto. Ambos métodos han dado buenos resultados y varios ejemplos numéricos se han simulado para validar el buen comportamiento de los métodos desarrollados. También se han estudiado elementos particulares, los elementos de Raviart y Thomas, que se podrían utilizar en una formulación mixta para obtener un algoritmo eficiente para solucionar problemas numéricos complejos.

Obtenció de nous anàlegs amb activitat brassinoesteroide mitjançant modelització molecular i síntesi

Els brassinoesteroides són productes naturals que actuen com a potents reguladors del creixement vegetal. Presenten aplicacions prometedores en l’agricultura degut a que, aplicats exògenament, augmenten la qualitat i la quantitat de les collites. Ara bé, el seu ús s’ha vist restringit degut a la seva costosa obtenció. Aquest fet ha motivat la recerca de nous compostos actius més assequibles. En aquest projecte es planteja el disseny i obtenció de nous anàlegs seguint diferents estratègies que impliquen tant l’ús de mètodes de modelització molecular com de síntesi orgànica. La primera d’aquestes estratègies consisteix en buscar compostos actius en bases de dades de compostos comercials a través de processos de Virtual Screening desenvolupats amb mètodes computacionals basats en Camps d’Interacció Molecular. Així, es van establir i interpretar models de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR) emprant descriptors independents de l’alineament (GRIND) i, amb col•laboració amb la Universitat de Perugia, aquest criteri de cerca es va ampliar amb l’aplicació de descriptors FLAP de nova generació. Una altra estratègia es va basar en intentar substituir l’esquelet esteroide dels brassinoesteroides per una estructura equivalent, fixant com a cadena lateral el grup (R)-hexahidromandelil. S’han aplicat dos criteris: mètodes computacionals basats en models QSAR establerts amb descriptors GRIND i també en la metodologia SHOP (scaffold hopping), i, per altra banda, anàlegs proposats racionalment a partir d’un estudi efectuat sobre disruptors endocrins no esteroïdals. Sobre les estructures trobades s’hi va unir la cadena lateral comercial esmentada per via sintètica, en la qual s’ha hagut de fer un èmfasi especial en grups protectors. En total, 49 estructures es proposen per a ser obtingudes sintèticament. També s’ha treballat en l’obtenció un agonista derivat de l’hipotètic antagonista KM-01. Totes les molècules candidates, ja siguin comercials o obtingudes sintèticament, estant sent avaluades en el test d’inclinació de la làmina d’arròs (RLIT).

Desenvolupament de problemes virtuals i interactius per a l’aprenentatge de la Microbiologia

La finalitat del projecte ha estat desenvolupar un espai virtual teòric-pràctic per a l’aprenentatge de la Microbiologia. Aquest espai virtual, basat en l'aprenentatge a través de problemes, s’ha anomenat “Microbiologia Interactiva” i proposa a l’alumne les següents àrees temàtiques: Introducció a les tècniques de la Microbiologia; Estructura i funció de la cèl.lula microbiana; Creixement i control microbià; Microbiologia molecular; Fisiologia i metabolisme microbians; Virologia; Ecologia Microbiana; Diversitat microbiana. Per a cada temàtica s’han definit unes competències a assolir a través de la resolució de problemes teòrics o pràctics. En aquest darrer cas, se li proposa a l’alumne que entri en el laboratori virtual per a la resolució dels casos pràctics plantejats. A més, per a la resolució dels problemes, l’alumne disposa d’un seguit de recursos per a cada temàtica. Finalment, també s’inclouen activitats de relació i d’ampliació per tal d’estimular la discussió, l’esperit crìtic, el treball en grup i la recerca bibliogràfica. A més, per tal de facilitar el seu ús, el web disposa també d'un tutorial. El web “Microbiologia Interactiva” es va introduir de forma pilat en l’ensenyament de l'assignatura de Microbiologia de la Llicenciatura de Biologia i de la de Microbiologia I de la llicenciatura de Biotecnologia de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) durant el curs 2007-08. Al llarg d'aquest curs es va valorar la seva utilitat i acceptació per part dels alumnes mitjançant enquestes. Els bons resultats obtinguts van aconsellar que aquesta eina fora ja utilitzada en totes les assignatures generals de Microbiologia de les llicenciatures de Biologia, Biotecnologia, Bioquímica, Química, Enginyeria Química, Ciències Ambientals i Ciència i Tecnologia dels Aliments de la UAB. Actualment el web s’està també utilitzant amb molt bons resultats a les assignatures de Microbiologia dels nous graus que ofereix la Facultat de Biociències de la UAB. Així doncs, en aquest projecte s’han assolit amb escreix els objectius previstos. Es pot consultar el web desenvolupat a l’adreça http://microbiologia.uab.cat//Microbiologia_Interactiva_Web/.

Detecció, identificació de Mycobacterium tuberculosis i caracterització molecular de la resistència als principals antituberculosos en mostra clínica directa mitjançant piroseqüenciació: aplicabilitat en l’estudi de la clonalitat de les soques.

L’augment de soques de Mycobacerium tuberculosis multiresistents i l’aparició de soques extremadament resistents, ha posat de manifest la necessitat de disposar de nous mètodes de detecció precoç de M.tuberculosis i les seves resistències als principals fàrmacs antituberculosos, així com l’estudi eficaç dels brots, per a poder dur a terme un control eficient de la malaltia. L’objectiu de l’estudi va ser determinar la capacitat de la piroseqüenciació per a detectar i identificar micobacteris a partir d’aïllats clínics i mostra directa, determinar el seu patró de resistència a Rifampicina, Isoniacida, Etambutol, Fluoroquinolones, Canamicina i Capreomicina i explorar la seva potencialitat per a ser emprada en el tipatge molecular de les soques. Mitjançant la optimització de la tecnologia de la piroseqüenciació pels gens analitzats, i el disseny de primers específics, hem verificat la utilitat de la piroseqüenciació per al maneig de la tuberculosi. S’ha pogut estudiar la presència de mutacions relacionades amb resistències a fàrmacs de primera línia en el 96.5% de les posicions analitzades en soca clínica i en el 70.4% en mostra directa. Van concordar amb el resultats obtinguts per altres mètodes fenotípics i/o fenotípics el 97.1% i el 98.2% del resultats obtinguts en soca clínica i mostra directa respectivament. La piroseqüenciació ens ha permet analitzar la presència de mutacions relacionades amb resistències a antituberculosos de segona línia, servint com a mètode de confirmació en l’anàlisi d’altres mètodes genotípics. La tècnica ens ha permès també identificar els principals micobacteris no tuberculosos implicats en la infecció humana, sòls o en coinfecció. Resultats preliminars mostren que l’anàlisi amb piroseqüenciació pot ser d’utilitat per l’estudi clonal de les soques de M.tuberculosis. Les nostres observacions mostren la piroseqüenciació com una eina valuosa en l’àmbit clínic, ja que permet una reducció de la demora del diagnòstic, estudi filogenètic i detecció de resistències M.tuberculosis, i per tant una millora de l’aplicació del tractament adequat, ajudant al control de la malaltia.

Semblança molecular: representació n-dimensional d'un conjunt de molècules

Es presenta una sèrie de conceptes de semblança molecular quàtica i uns procediments associats de càlcul i representació gràfica dels resultats. Donada una sèrie de molècules es poden obtenir diversos tipus de gràfics que mostren les relacions entre elles. Com a exemple d'aplicació d'aquest procés s'estudia una família de drogues antitumorals

Paper de l’ Haemophilus influenzae en les exacerbacions de la Malaltia Pulmonar Obstructiva Crònica (MPOC): tipificació molecular i factors de virulència

Objetivos: 1.-Identificar los factores clínicos y microbiológicos que ayuden a predecir la aparición de exacerbaciones en la EPOC. 2.-Diagnóstico y cuantificación de las especies bacterianas aisladas en esputo (fase de exacerbación y estable) .3.- Tipificación genotípica secuencial de las cepas de H. influenzae y P. aeruginosa. 4.- Impacto del tratamiento antibiótico en la aparición de resistencias en estos patógenos. 5.- Diseño: Estudio prospectivo (3 años). Ámbito del estudio: Hospital Universitario de tercer nivel. Pacientes con EPOC grave atendidos en la Consulta Monográfica de EPOC del Servicio de Neumología. Métodos microbiológicos: Cuantificación de la carga bacteriana en muestras respiratorias en fase estable y en exacerbación. Estudio de la sensibilidad “in vitro”. Tipificación molecular (PFGE y MLST) de H. influenzae y P. aeruginosa. Estudio de los genes de virulencia de H. influenzae mediante PCR. Resultados: Desde Febrero de 2010 a Julio de 2011 se han incluido 77 pacientes. Los microorganismos más frecuentemente aislados en fase de exacerbación fueron: P. aeruginosa (29.3%), H. influenzae (15.92%), M. catarrhalis (12.74%), S. pneumoniae (10.19%) y S. aureus (5.10%). En los 88 episodios por P. aeruginosa se detectaron 38 genotipos diferentes. En los 41 episodios por H. influenzae se detectaron 39 genotipos diferentes. El 10% de los episodios fueron polimicrobianos. Los episodios de EAEPOC y de fase estable tuvieron una distribución de microorganismos similar. Sin embargo, cuando se cuantificaron las cargas bacterianas fueron mayores en EAEPOC (intervalo 4x107 -2x108) que en fase estable (intervalo 2x105 -4x107). Conclusiones: El genotipo de las cepas de P. aeruginosa y H. influenzae aisladas en EAEPOC difieren de un paciente a otro, sin embargo la mayoría de los episodios de cada paciente están causados por un genotipo único.

Exploring unfrequent events with accelerated molecular dynamics simulations: from photochemistry to drug design

La meva incorporació al grup de recerca del Prof. McCammon (University of California San Diego) en qualitat d’investigador post doctoral amb una beca Beatriu de Pinós, va tenir lloc el passat 1 de desembre de 2010; on vaig dur a terme les meves tasques de recerca fins al darrer 1 d’abril de 2012. El Prof. McCammon és un referent mundial en l’aplicació de simulacions de dinàmica molecular (MD) en sistemes biològics d’interès humà. La contribució més important del Prof. McCammon en la simulació de sistemes biològics és el desenvolupament del mètode de dinàmiques moleculars accelerades (AMD). Les simulacions MD convencionals, les quals estan limitades a l’escala de temps del nanosegon (~10-9s), no son adients per l’estudi de sistemes biològics rellevants a escales de temps mes llargues (μs, ms...). AMD permet explorar fenòmens moleculars poc freqüents però que son clau per l’enteniment de molts sistemes biològics; fenòmens que no podrien ser observats d’un altre manera. Durant la meva estada a la “University of California San Diego”, vaig treballar en diferent aplicacions de les simulacions AMD, incloent fotoquímica i disseny de fàrmacs per ordinador. Concretament, primer vaig desenvolupar amb èxit una combinació dels mètodes AMD i simulacions Car-Parrinello per millorar l’exploració de camins de desactivació (interseccions còniques) en reaccions químiques fotoactivades. En segon lloc, vaig aplicar tècniques estadístiques (Replica Exchange) amb AMD en la descripció d’interaccions proteïna-lligand. Finalment, vaig dur a terme un estudi de disseny de fàrmacs per ordinador en la proteïna-G Rho (involucrada en el desenvolupament de càncer humà) combinant anàlisis estructurals i simulacions AMD. Els projectes en els quals he participat han estat publicats (o estan encara en procés de revisió) en diferents revistes científiques, i han estat presentats en diferents congressos internacionals. La memòria inclosa a continuació conté més detalls de cada projecte esmentat.

Simulation methods with extended stability for stiff biochemical kinetics

Background: With increasing computer power, simulating the dynamics of complex systems in chemistry and biology is becoming increasingly routine. The modelling of individual reactions in (bio)chemical systems involves a large number of random events that can be simulated by the stochastic simulation algorithm (SSA). The key quantity is the step size, or waiting time, τ, whose value inversely depends on the size of the propensities of the different channel reactions and which needs to be re-evaluated after every firing event. Such a discrete event simulation may be extremely expensive, in particular for stiff systems where τ can be very short due to the fast kinetics of some of the channel reactions. Several alternative methods have been put forward to increase the integration step size. The so-called τ-leap approach takes a larger step size by allowing all the reactions to fire, from a Poisson or Binomial distribution, within that step. Although the expected value for the different species in the reactive system is maintained with respect to more precise methods, the variance at steady state can suffer from large errors as τ grows. Results: In this paper we extend Poisson τ-leap methods to a general class of Runge-Kutta (RK) τ-leap methods. We show that with the proper selection of the coefficients, the variance of the extended τ-leap can be well-behaved, leading to significantly larger step sizes.Conclusions: The benefit of adapting the extended method to the use of RK frameworks is clear in terms of speed of calculation, as the number of evaluations of the Poisson distribution is still one set per time step, as in the original τ-leap method. The approach paves the way to explore new multiscale methods to simulate (bio)chemical systems.

Development and validation of AMANDA, a new algorithm for selecting highly relevant regions in Molecular Interaction Fields

Descriptors based on Molecular Interaction Fields (MIF) are highly suitable for drug discovery, but their size (thousands of variables) often limits their application in practice. Here we describe a simple and fast computational method that extracts from a MIF a handful of highly informative points (hot spots) which summarize the most relevant information. The method was specifically developed for drug discovery, is fast, and does not require human supervision, being suitable for its application on very large series of compounds. The quality of the results has been tested by running the method on the ligand structure of a large number of ligand-receptor complexes and then comparing the position of the selected hot spots with actual atoms of the receptor. As an additional test, the hot spots obtained with the novel method were used to obtain GRIND-like molecular descriptors which were compared with the original GRIND. In both cases the results show that the novel method is highly suitable for describing ligand-receptor interactions and compares favorably with other state-of-the-art methods.

Suitability of GRIND-based principal properties for the description of molecular similarity and ligand-based virtual screening

The information provided by the alignment-independent GRid Independent Descriptors (GRIND) can be condensed by the application of principal component analysis, obtaining a small number of principal properties (GRIND-PP), which is more suitable for describing molecular similarity. The objective of the present study is to optimize diverse parameters involved in the obtention of the GRIND-PP and validate their suitability for applications, requiring a biologically relevant description of the molecular similarity. With this aim, GRIND-PP computed with a collection of diverse settings were used to carry out ligand-based virtual screening (LBVS) on standard conditions. The quality of the results obtained was remarkable and comparable with other LBVS methods, and their detailed statistical analysis allowed to identify the method settings more determinant for the quality of the results and their optimum. Remarkably, some of these optimum settings differ significantly from those used in previously published applications, revealing their unexplored potential. Their applicability in large compound database was also explored by comparing the equivalence of the results obtained using either computed or projected principal properties. In general, the results of the study confirm the suitability of the GRIND-PP for practical applications and provide useful hints about how they should be computed for obtaining optimum results.

Comparison between molecular dynamics abd Monte Carlo simulations of an ordering process in a binary alloy

Ordering in a binary alloy is studied by means of a molecular-dynamics (MD) algorithm which allows to reach the domain growth regime. Results are compared with Monte Carlo simulations using a realistic vacancy-atom (MC-VA) mechanism. At low temperatures fast growth with a dynamical exponent x>1/2 is found for MD and MC-VA. The study of a nonequilibrium ordering process with the two methods shows the importance of the nonhomogeneity of the excitations in the system for determining its macroscopic kinetics.

Evolutionary dynamics of molecular markers during local adaptation: a case study in Drosophila subobscura

Background: Natural selection and genetic drift are major forces responsible for temporal genetic changes in populations. Furthermore, these evolutionary forces may interact with each other. Here we study the impact of an ongoing adaptive process at the molecular genetic level by analyzing the temporal genetic changes throughout 40 generations of adaptation to a common laboratory environment. Specifically, genetic variability, population differentiation and demographic structure were compared in two replicated groups of Drosophila subobscura populations recently sampled from different wild sources. Results: We found evidence for a decline in genetic variability through time, along with an increase in genetic differentiation between all populations studied. The observed decline in genetic variability was higher during the first 14 generations of laboratory adaptation. The two groups of replicated populations showed overall similarity in variability patterns. Our results also revealed changing demographic structure of the populations during laboratory evolution, with lower effective population sizes in the early phase of the adaptive process. One of the ten microsatellites analyzed showed a clearly distinct temporal pattern of allele frequency change, suggesting the occurrence of positive selection affecting the region around that particular locus. Conclusion: Genetic drift was responsible for most of the divergence and loss of variability between and within replicates, with most changes occurring during the first generations of laboratory adaptation. We also found evidence suggesting a selective sweep, despite the low number of molecular markers analyzed. Overall, there was a similarity of evolutionary dynamics at the molecular level in our laboratory populations, despite distinct genetic backgrounds and some differences in phenotypic evolution.