Ab initio modeling and molecular dynamics simulation of the alpha 1b-adrenergic receptor activation.

This work describes the ab initio procedure employed to build an activation model for the alpha 1b-adrenergic receptor (alpha 1b-AR). The first version of the model was progressively modified and complicated by means of a many-step iterative procedure characterized by the employment of experimental validations of the model in each upgrading step. A combined simulated (molecular dynamics) and experimental mutagenesis approach was used to determine the structural and dynamic features characterizing the inactive and active states of alpha 1b-AR. The latest version of the model has been successfully challenged with respect to its ability to interpret and predict the functional properties of a large number of mutants. The iterative approach employed to describe alpha 1b-AR activation in terms of molecular structure and dynamics allows further complications of the model to allow prediction and interpretation of an ever-increasing number of experimental data.

Hydrogeophysical data integration at larger scales: Application of Bayesian sequential simulation for the characterization of heterogeneous alluvial aquifers

Knowledge of the spatial distribution of hydraulic conductivity (K) within an aquifer is critical for reliable predictions of solute transport and the development of effective groundwater management and/or remediation strategies. While core analyses and hydraulic logging can provide highly detailed information, such information is inherently localized around boreholes that tend to be sparsely distributed throughout the aquifer volume. Conversely, larger-scale hydraulic experiments like pumping and tracer tests provide relatively low-resolution estimates of K in the investigated subsurface region. As a result, traditional hydrogeological measurement techniques contain a gap in terms of spatial resolution and coverage, and they are often alone inadequate for characterizing heterogeneous aquifers. Geophysical methods have the potential to bridge this gap. The recent increased interest in the application of geophysical methods to hydrogeological problems is clearly evidenced by the formation and rapid growth of the domain of hydrogeophysics over the past decade (e.g., Rubin and Hubbard, 2005).

Optimized venous return with a self-expanding cannula: from computational fluid dynamics to clinical application.

The Smart canula concept allows for collapsed cannula insertion, and self-expansion within a vein of the body. (A) Computational fluid dynamics, and (B) bovine experiments (76+/-3.8 kg) were performed for comparative analyses, prior to (C) the first clinical application. For an 18F access, a given flow of 4 l/min (A) resulted in a pressure drop of 49 mmHg for smart cannula versus 140 mmHg for control. The corresponding Reynolds numbers are 680 versus 1170, respectively. (B) For an access of 28F, the maximal flow for smart cannula was 5.8+/-0.5 l/min versus 4.0+/-0.1 l/min for standard (P<0.0001), for 24F 5.5+/-0.6 l/min versus 3.2+/-0.4 l/min (P<0.0001), and for 20F 4.1+/-0.3 l/min versus 1.6+/-0.3 l/min (P<0.0001). The flow obtained with the smart cannula was 270+/-45% (20F), 172+/-26% (24F), and 134+/-13% (28F) of standard (one-way ANOVA, P=0.014). (C) First clinical application (1.42 m2) with a smart cannula showed 3.55 l/min (100% predicted) without additional fluids. All three assessment steps confirm the superior performance of the smart cannula design.

Effort, reward and self-reported mental health: a simulation study on negative affectivity bias.

Background : In the present article, we propose an alternative method for dealing with negative affectivity (NA) biases in research, while investigating the association between a deleterious psychosocial environment at work and poor mental health. First, we investigated how strong NA must be to cause an observed correlation between the independent and dependent variables. Second, we subjectively assessed whether NA can have a large enough impact on a large enough number of subjects to invalidate the observed correlations between dependent and independent variables.Methods : We simulated 10,000 populations of 300 subjects each, using the marginal distribution of workers in an actual population that had answered the Siegrist's questionnaire on effort and reward imbalance (ERI) and the General Health Questionnaire (GHQ).Results : The results of the present study suggested that simulated NA has a minimal effect on the mean scores for effort and reward. However, the correlations between the effort and reward imbalance (ERI) ratio and the GHQ score might be important, even in simulated populations with a limited NA.Conclusions : When investigating the relationship between the ERI ratio and the GHQ score, we suggest the following rules for the interpretation of the results: correlations with an explained variance of 5% and below should be considered with caution; correlations with an explained variance between 5% and 10% may result from NA, although this effect does not seem likely; and correlations with an explained variance of 10% and above are not likely to be the result of NA biases. [Authors]

Microsatellites can be misleading: an empirical and simulation study.

It has been long recognized that highly polymorphic genetic markers can lead to underestimation of divergence between populations when migration is low. Microsatellite loci, which are characterized by extremely high mutation rates, are particularly likely to be affected. Here, we report genetic differentiation estimates in a contact zone between two chromosome races of the common shrew (Sorex araneus), based on 10 autosomal microsatellites, a newly developed Y-chromosome microsatellite, and mitochondrial DNA. These results are compared to previous data on proteins and karyotypes. Estimates of genetic differentiation based on F- and R-statistics are much lower for autosomal microsatellites than for all other genetic markers. We show by simulations that this discrepancy stems mainly from the high mutation rate of microsatellite markers for F-statistics and from deviations from a single-step mutation model for R-statistics. The sex-linked genetic markers show that all gene exchange between races is mediated by females. The absence of male-mediated gene flow most likely results from male hybrid sterility.

Simulation-based systematic review of imatinib population pharmacokinetics and PK-PD relationships in chronic myeloid leukemia (CML) patients

Objectives: Several population pharmacokinetic (PPK) and pharmacokinetic-pharmacodynamic (PK-PD) analyses have been performed with the anticancer drug imatinib. Inspired by the approach of meta-analysis, we aimed to compare and combine results from published studies in a useful way - in particular for improving the clinical interpretation of imatinib concentration measurements in the scope of therapeutic drug monitoring (TDM). Methods: Original PPK analyses and PK-PD studies (PK surrogate: trough concentration Cmin; PD outcomes: optimal early response and specific adverse events) were searched systematically on MEDLINE. From each identified PPK model, a predicted concentration distribution under standard dosage was derived through 1000 simulations (NONMEM), after standardizing model parameters to common covariates. A "reference range" was calculated from pooled simulated concentrations in a semi-quantitative approach (without specific weighting) over the whole dosing interval. Meta-regression summarized relationships between Cmin and optimal/suboptimal early treatment response. Results: 9 PPK models and 6 relevant PK-PD reports in CML patients were identified. Model-based predicted median Cmin ranged from 555 to 1388 ng/ml (grand median: 870 ng/ml and inter-quartile range: 520-1390 ng/ml). The probability to achieve optimal early response was predicted to increase from 60 to 85% from 520 to 1390 ng/ml across PK-PD studies (odds ratio for doubling Cmin: 2.7). Reporting of specific adverse events was too heterogeneous to perform a regression analysis. The general frequency of anemia, rash and fluid retention increased however consistently with Cmin, but less than response probability. Conclusions: Predicted drug exposure may differ substantially between various PPK analyses. In this review, heterogeneity was mainly attributed to 2 "outlying" models. The established reference range seems to cover the range where both good efficacy and acceptable tolerance are expected for most patients. TDM guided dose adjustment appears therefore justified for imatinib in CML patients. Its usefulness remains now to be prospectively validated in a randomized trial.

In silico prediction of human carboxylesterase-1 (hCES1) metabolism combining docking analyses and MD simulations.

Metabolic problems lead to numerous failures during clinical trials, and much effort is now devoted in developing in silico models predicting metabolic stability and metabolites. Such models are well known for cytochromes P450 and some transferases, whereas little has been done to predict the hydrolytic activity of human hydrolases. The present study was undertaken to develop a computational approach able to predict the hydrolysis of novel esters by human carboxylesterase hCES1. The study involves both docking analyses of known substrates to develop predictive models, and molecular dynamics (MD) simulations to reveal the in situ behavior of substrates and products, with particular attention being paid to the influence of their ionization state. The results emphasize some crucial properties of the hCES1 catalytic cavity, confirming that as a trend with several exceptions, hCES1 prefers substrates with relatively smaller and somewhat polar alkyl/aryl groups and larger hydrophobic acyl moieties. The docking results underline the usefulness of the hydrophobic interaction score proposed here, which allows a robust prediction of hCES1 catalysis, while the MD simulations show the different behavior of substrates and products in the enzyme cavity, suggesting in particular that basic substrates interact with the enzyme in their unprotonated form.

Artificial Snow Optimization in Winter Sport Destinations Using a Multi-agent Simulation

This paper presents the Juste-Neige system for predicting the snow height on the ski runs of a resort using a multi-agent simulation software. Its aim is to facilitate snow cover management in order to i) reduce the production cost of artificial snow and to improve the profit margin for the companies managing the ski resorts; and ii) to reduce the water and energy consumption, and thus to reduce the environmental impact, by producing only the snow needed for a good skiing experience. The software provides maps with the predicted snow heights for up to 13 days. On these maps, the areas most exposed to snow erosion are highlighted. The software proceeds in three steps: i) interpolation of snow height measurements with a neural network; ii) local meteorological forecasts for every ski resort; iii) simulation of the impact caused by skiers using a multi-agent system. The software has been evaluated in the Swiss ski resort of Verbier and provides useful predictions.

Simulation des caractéristiques ECG du syndrome de Brugada à l'aide d'un programme de modélisation 3D

Introduction : Le syndrome de Brugada, décrit en 1992 par Pedro et Josep Brugada, est un syndrome cardiaque caractérisé par un sus-décalage particulier du segment ST associé à un bloc de branche droit atypique au niveau des dérivations ECG V1 à V3. Les altérations ECG du syndrome de Brugada sont classifiées en 3 types dont seul le type 1 est diagnostique. Les mécanismes physiopathologiques exacts de ce syndrome sont pour le moment encore controversés. Plusieurs hypothèses sont proposées dans la littérature dont deux principales retiennent l'attention : 1) le modèle du trouble de repolarisation stipule des potentiels d'action réduits en durée et en amplitude liés à un changement de répartition de canaux potassiques 2) le modèle du trouble de dépolarisation spécifie un retard de conduction se traduisant par une dépolarisation retardée. Dans le STEMI, un sus-décalage ST ressemblant à celui du syndrome de Brugada est expliqué par deux théories : 1) le courant de lésion diastolique suggère une élévation du potentiel diastolique transformé artificiellement en sus-décalage ST par les filtres utilisés dans tous les appareils ECG.¦Objectif : Recréer les manifestations ECG du syndrome de Brugada en appliquant les modifications du potentiel d'action des cardiomyocytes rapportées dans la littérature.¦Méthode : Pour ce travail, nous avons utilisé "ECGsim", un simulateur informatique réaliste d'ECG disponible gratuitement sur www.ecgsim.org. Ce programme est basé sur une reconstruction de l'ECG de surface à l'aide de 1500 noeuds représentant chacun les potentiels d'action des ventricules droit et gauche, épicardiques et endocardiques. L'ECG simulé peut être donc vu comme l'intégration de l'ensemble de ces potentiels d'action en tenant compte des propriétés de conductivité des tissus s'interposant entre les électrodes de surface et le coeur. Dans ce programme, nous avons définit trois zones, de taille différente, comprenant la chambre de chasse du ventricule droit. Pour chaque zone, nous avons reproduit les modifications des potentiels d'action citées dans les modèles du trouble de repolarisation et de dépolarisation et des théories de courant de lésion systolique et diastolique. Nous avons utilisé, en plus des douze dérivations habituelles, une électrode positionnée en V2IC3 (i.e. 3ème espace intercostal) sur le thorax virtuel du programme ECGsim.¦Résultats : Pour des raisons techniques, le modèle du trouble de repolarisation n'a pas pu être entièrement réalisée dans ce travail. Le modèle du trouble de dépolarisation ne reproduit pas d'altération de type Brugada mais un bloc de branche droit plus ou moins complet. Le courant de lésion diastolique permet d'obtenir un sus-décalage ST en augmentant le potentiel diastolique épicardique des cardiomyocytes de la chambre de chasse du ventricule droit. Une inversion de l'onde T apparaît lorsque la durée du potentiel d'action est prolongée. L'amplitude du sus-décalage ST dépend de la valeur du potentiel diastolique, de la taille de la lésion et de sa localisation épicardique ou transmurale. Le courant de lésion systolique n'entraîne pas de sus-décalage ST mais accentue l'amplitude de l'onde T.¦Discussion et conclusion : Dans ce travail, l'élévation du potentiel diastolique avec un prolongement de la durée du potentiel d'action est la combinaison qui reproduit le mieux les altérations ECG du Brugada. Une persistance de cellules de type nodal au niveau de la chambre de chasse du ventricule droit pourrait être une explication à ces modifications particulières du potentiel d'action. Le risque d'arythmie dans la Brugada pourrait également être expliqué par une automaticité anormale des cellules de type nodal. Ainsi, des altérations des mécanismes cellulaires impliqués dans le maintien du potentiel diastolique pourraient être présentes dans le syndrome de Brugada, ce qui, à notre connaissance, n'a jamais été rapporté dans la littérature.

Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

Synchronous versus asynchronous modeling of gene regulatory networks.

MOTIVATION: In silico modeling of gene regulatory networks has gained some momentum recently due to increased interest in analyzing the dynamics of biological systems. This has been further facilitated by the increasing availability of experimental data on gene-gene, protein-protein and gene-protein interactions. The two dynamical properties that are often experimentally testable are perturbations and stable steady states. Although a lot of work has been done on the identification of steady states, not much work has been reported on in silico modeling of cellular differentiation processes. RESULTS: In this manuscript, we provide algorithms based on reduced ordered binary decision diagrams (ROBDDs) for Boolean modeling of gene regulatory networks. Algorithms for synchronous and asynchronous transition models have been proposed and their corresponding computational properties have been analyzed. These algorithms allow users to compute cyclic attractors of large networks that are currently not feasible using existing software. Hereby we provide a framework to analyze the effect of multiple gene perturbation protocols, and their effect on cell differentiation processes. These algorithms were validated on the T-helper model showing the correct steady state identification and Th1-Th2 cellular differentiation process. AVAILABILITY: The software binaries for Windows and Linux platforms can be downloaded from http://si2.epfl.ch/~garg/genysis.html.

Multiple-scale hydrological and geophysical data integration through non-linear Bayesian sequential simulation

Significant progress has been made with regard to the quantitative integration of geophysical and hydrological data at the local scale. However, extending the corresponding approaches to the scale of a field site represents a major, and as-of-yet largely unresolved, challenge. To address this problem, we have developed downscaling procedure based on a non-linear Bayesian sequential simulation approach. The main objective of this algorithm is to estimate the value of the sparsely sampled hydraulic conductivity at non-sampled locations based on its relation to the electrical conductivity logged at collocated wells and surface resistivity measurements, which are available throughout the studied site. The in situ relationship between the hydraulic and electrical conductivities is described through a non-parametric multivariatekernel density function. Then a stochastic integration of low-resolution, large-scale electrical resistivity tomography (ERT) data in combination with high-resolution, local-scale downhole measurements of the hydraulic and electrical conductivities is applied. The overall viability of this downscaling approach is tested and validated by comparing flow and transport simulation through the original and the upscaled hydraulic conductivity fields. Our results indicate that the proposed procedure allows obtaining remarkably faithful estimates of the regional-scale hydraulic conductivity structure and correspondingly reliable predictions of the transport characteristics over relatively long distances.