On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Adding diversity to ruthenium (II)-arene anticancer (RAPTA) compounds via click chemistry: the influence of hydrophobic chains

The application of click chemistry to develop libraries of organometallic ruthenium-arene complexes with potential anticancer properties has been investigated. A series of ruthenium-imidazole-triazole complexes, with hydrophobic tails, were prepared from a common precursor via click chemistry. The tail could be attached to the ligand prior to coordination to the ruthenium complex were screened for cytotoxicity in tumourigenic and non-tumourigenic cell lines, and while the compounds were only moderately cytotoxic, good selectivity for tumourigenic cells were abserved.

Hydrophobic labeling of (Na+,K+)-ATPase: further evidence that the beta subunit is embedded in the membrane bilayer.

O-Hexanoyl-3,5-diiodo-N-(4-azido-2-nitro-phenyl)tyramine has been used after photochemical conversion into the reactive nitrene to label (Na+,K+)-ATPase from Bufo marinus toad kidney. Immunochemical evidence indicates that the reagent labels both subunits of the enzyme in partially purified form as well as in microsomal membranes. These results support the view that the glycoprotein subunit, like the catalytic subunit, possesses hydrophobic domains by which it is integrated into the plasma membrane.

Total hemoglobin mass--a new parameter to detect blood doping?

PURPOSE: All kinds of blood manipulations aim to increase the total hemoglobin mass (tHb-mass). To establish tHb-mass as an effective screening parameter for detecting blood doping, the knowledge of its normal variation over time is necessary. The aim of the present study, therefore, was to determine the intraindividual variance of tHb-mass in elite athletes during a training year emphasizing off, training, and race seasons at sea level. METHODS: tHb-mass and hemoglobin concentration ([Hb]) were determined in 24 endurance athletes five times during a year and were compared with a control group (n = 6). An analysis of covariance was used to test the effects of training phases, age, gender, competition level, body mass, and training volume. Three error models, based on 1) a total percentage error of measurement, 2) the combination of a typical percentage error (TE) of analytical origin with an absolute SD of biological origin, and 3) between-subject and within-subject variance components as obtained by an analysis of variance, were tested. RESULTS: In addition to the expected influence of performance status, the main results were that the effects of training volume (P = 0.20) and training phases (P = 0.81) on tHb-mass were not significant. We found that within-subject variations mainly have an analytical origin (TE approximately 1.4%) and a very small SD (7.5 g) of biological origin. CONCLUSION: tHb-mass shows very low individual oscillations during a training year (<6%), and these oscillations are below the expected changes in tHb-mass due to Herythropoetin (EPO) application or blood infusion (approximately 10%). The high stability of tHb-mass over a period of 1 year suggests that it should be included in an athlete's biological passport and analyzed by recently developed probabilistic inference techniques that define subject-based reference ranges.

Marked increase in the secretion of a fully antigenic recombinant carcinoembryonic antigen obtained by deletion of its hydrophobic tail.

Carcinoembryonic antigen (CEA) is a well-known tumor marker, consisting of a single heavily glycosylated polypeptide chain (mol. wt 200 kD), bound to the cell surface by a phosphatidylinositol-glycan anchor. The hydrophobic domain, encoded by the 3' end of the open reading frame of the CEA gene is not present in the mature protein. This domain is assumed to play an important role in the targeting and attachment of CEA to the cell surface. To verify this hypothesis, a recombinant CEA cDNA lacking the 78 b.p. of the 3' region, encoding the 26 a.a. hydrophobic domain, was prepared in a Rc/CMV expression vector containing a neomycin resistance gene. The construct was transfected by the calcium phosphate technique into CEA-negative human and rat colon carcinoma cell lines. Geneticin-resistant transfectants were screened for the presence of CEA in the supernatant and positive clones were isolated. As determined by ELISA, up to 13 micrograms of recombinant CEA per 10(6) cells was secreted within 72 hr by the human transfected cells and about 1 microgram by the rat cells. For comparison, two human carcinoma cell lines, CO112 and LS174T, selected for high CEA expression, shed about 45 and 128 ng per 10(6) cells within 72 hr, respectively. Western blot analysis showed that the size of the recombinant CEA secreted by the transfected human cells is identical to that of reference CEA purified from human colon carcinomas metastases (about 200 kD). The recombinant CEA synthesized by the transfected rat carcinoma cells has a smaller size (about 144 kD, possibly due to incomplete glycosylation), as has already been observed for CEA produced by rat colon carcinoma cells transfected with full-length CEA cDNA. The 100-fold increase in secretion of rCEA encoded by truncated CEA cDNA transfected in human cells confirms the essential role of this domain in the targeting and anchoring of the glycoprotein. These results suggest a new approach for the in vitro production of large amounts of CEA needed in research laboratories and for immunoassay kits.

Trabecular bone score (TBS) the new parameter of 2D texture analysis for the evaluation of 3D bone micro architecture status

X-ray is a technology that is used for numerous applications in the medical field. The process of X-ray projection gives a 2-dimension (2D) grey-level texture from a 3- dimension (3D) object. Until now no clear demonstration or correlation has positioned the 2D texture analysis as a valid indirect evaluation of the 3D microarchitecture. TBS is a new texture parameter based on the measure of the experimental variogram. TBS evaluates the variation between 2D image grey-levels. The aim of this study was to evaluate existing correlations between 3D bone microarchitecture parameters - evaluated from μCT reconstructions - and the TBS value, calculated on 2D projected images. 30 dried human cadaveric vertebrae were acquired on a micro-scanner (eXplorer Locus, GE) at isotropic resolution of 93 μm. 3D vertebral body models were used. The following 3D microarchitecture parameters were used: Bone volume fraction (BV/TV), Trabecular thickness (TbTh), trabecular space (TbSp), trabecular number (TbN) and connectivity density (ConnD). 3D/2D projections has been done by taking into account the Beer-Lambert Law at X-ray energy of 50, 100, 150 KeV. TBS was assessed on 2D projected images. Correlations between TBS and the 3D microarchitecture parameters were evaluated using a linear regression analysis. Paired T-test is used to assess the X-ray energy effects on TBS. Multiple linear regressions (backward) were used to evaluate relationships between TBS and 3D microarchitecture parameters using a bootstrap process. BV/TV of the sample ranged from 18.5 to 37.6% with an average value at 28.8%. Correlations' analysis showedthat TBSwere strongly correlatedwith ConnD(0.856≤r≤0.862; p<0.001),with TbN (0.805≤r≤0.810; p<0.001) and negatively with TbSp (−0.714≤r≤−0.726; p<0.001), regardless X-ray energy. Results show that lower TBS values are related to "degraded" microarchitecture, with low ConnD, low TbN and a high TbSp. The opposite is also true. X-ray energy has no effect onTBS neither on the correlations betweenTBS and the 3Dmicroarchitecture parameters. In this study, we demonstrated that TBS was significantly correlated with 3D microarchitecture parameters ConnD and TbN, and negatively with TbSp, no matter what X-ray energy has been used. This article is part of a Special Issue entitled ECTS 2011. Disclosure of interest: None declared.

A hierarchical approach to model parameter optimization for developmental systems.

In the context of Systems Biology, computer simulations of gene regulatory networks provide a powerful tool to validate hypotheses and to explore possible system behaviors. Nevertheless, modeling a system poses some challenges of its own: especially the step of model calibration is often difficult due to insufficient data. For example when considering developmental systems, mostly qualitative data describing the developmental trajectory is available while common calibration techniques rely on high-resolution quantitative data. Focusing on the calibration of differential equation models for developmental systems, this study investigates different approaches to utilize the available data to overcome these difficulties. More specifically, the fact that developmental processes are hierarchically organized is exploited to increase convergence rates of the calibration process as well as to save computation time. Using a gene regulatory network model for stem cell homeostasis in Arabidopsis thaliana the performance of the different investigated approaches is evaluated, documenting considerable gains provided by the proposed hierarchical approach.

Probabilistic evidential assessment of gunshot residue particle evidence (Part II) : Bayesian parameter estimation for experimental count data.

Part I of this series of articles focused on the construction of graphical probabilistic inference procedures, at various levels of detail, for assessing the evidential value of gunshot residue (GSR) particle evidence. The proposed models - in the form of Bayesian networks - address the issues of background presence of GSR particles, analytical performance (i.e., the efficiency of evidence searching and analysis procedures) and contamination. The use and practical implementation of Bayesian networks for case pre-assessment is also discussed. This paper, Part II, concentrates on Bayesian parameter estimation. This topic complements Part I in that it offers means for producing estimates useable for the numerical specification of the proposed probabilistic graphical models. Bayesian estimation procedures are given a primary focus of attention because they allow the scientist to combine (his/her) prior knowledge about the problem of interest with newly acquired experimental data. The present paper also considers further topics such as the sensitivity of the likelihood ratio due to uncertainty in parameters and the study of likelihood ratio values obtained for members of particular populations (e.g., individuals with or without exposure to GSR).

S-system parameter estimation for noisy metabolic profiles using newton-flow analysis.

Biochemical systems are commonly modelled by systems of ordinary differential equations (ODEs). A particular class of such models called S-systems have recently gained popularity in biochemical system modelling. The parameters of an S-system are usually estimated from time-course profiles. However, finding these estimates is a difficult computational problem. Moreover, although several methods have been recently proposed to solve this problem for ideal profiles, relatively little progress has been reported for noisy profiles. We describe a special feature of a Newton-flow optimisation problem associated with S-system parameter estimation. This enables us to significantly reduce the search space, and also lends itself to parameter estimation for noisy data. We illustrate the applicability of our method by applying it to noisy time-course data synthetically produced from previously published 4- and 30-dimensional S-systems. In addition, we propose an extension of our method that allows the detection of network topologies for small S-systems. We introduce a new method for estimating S-system parameters from time-course profiles. We show that the performance of this method compares favorably with competing methods for ideal profiles, and that it also allows the determination of parameters for noisy profiles.

Parameter estimation for the distribution of single cell lag times.

In Quantitative Microbial Risk Assessment, it is vital to understand how lag times of individual cells are distributed over a bacterial population. Such identified distributions can be used to predict the time by which, in a growth-supporting environment, a few pathogenic cells can multiply to a poisoning concentration level. We model the lag time of a single cell, inoculated into a new environment, by the delay of the growth function characterizing the generated subpopulation. We introduce an easy-to-implement procedure, based on the method of moments, to estimate the parameters of the distribution of single cell lag times. The advantage of the method is especially apparent for cases where the initial number of cells is small and random, and the culture is detectable only in the exponential growth phase.

Interhuman transmission as a potential key parameter for geographical variation in the prevalence of Pneumocystis jirovecii dihydropteroate synthase mutations.

BACKGROUND: Pneumocystis jirovecii dihydropteroate synthase (DHPS) mutations are associated with failure of prophylaxis with sulfa drugs. This retrospective study sought to better understand the geographical variation in the prevalence of these mutations. METHODS: DHPS polymorphisms in 394 clinical specimens from immunosuppressed patients who received a diagnosis of P. jirovecii pneumonia and who were hospitalized in 3 European cities were examined using polymerase chain reaction (PCR) single-strand conformation polymorphism. Demographic and clinical characteristics were obtained from patients' medical charts. RESULTS: Of the 394 patients, 79 (20%) were infected with a P. jirovecii strain harboring one or both of the previously reported DHPS mutations. The prevalence of DHPS mutations was significantly higher in Lyon than in Switzerland (33.0% vs 7.5%; P < .001). The proportion of patients with no evidence of sulfa exposure who harbored a mutant P. jirovecii DHPS genotype was significantly higher in Lyon than in Switzerland (29.7% vs 3.0%; P < .001). During the study period in Lyon, in contrast to the Swiss hospitals, measures to prevent dissemination of P. jirovecii from patients with P. jirovecii pneumonia were generally not implemented, and most patients received suboptimal prophylaxis, the failure of which was strictly associated with mutated P. jirovecii. Thus, nosocomial interhuman transmission of mutated strains directly or indirectly from other individuals in whom selection of mutants occurred may explain the high proportion of mutations without sulfa exposure in Lyon. CONCLUSIONS: Interhuman transmission of P. jirovecii, rather than selection pressure by sulfa prophylaxis, may play a predominant role in the geographical variation in the prevalence in the P. jirovecii DHPS mutations.

Detection of Optimal Models in Parameter Space with Support Vector Machines

The paper proposes an approach aimed at detecting optimal model parameter combinations to achieve the most representative description of uncertainty in the model performance. A classification problem is posed to find the regions of good fitting models according to the values of a cost function. Support Vector Machine (SVM) classification in the parameter space is applied to decide if a forward model simulation is to be computed for a particular generated model. SVM is particularly designed to tackle classification problems in high-dimensional space in a non-parametric and non-linear way. SVM decision boundaries determine the regions that are subject to the largest uncertainty in the cost function classification, and, therefore, provide guidelines for further iterative exploration of the model space. The proposed approach is illustrated by a synthetic example of fluid flow through porous media, which features highly variable response due to the parameter values' combination.

PEG-b-PPS diblock copolymer aggregates for hydrophobic drug solubilization and release: cyclosporin A as an example

Micelles formed from amphiphilic block copolymers have been explored in recent years as carriers for hydrophobic drugs. In an aqueous environment, the hydrophobic blocks form the core of the micelle, which can host lipophilic drugs, while the hydrophilic blocks form the corona or outer shell and stabilize the interface between the hydrophobic core and the external medium. In the present work, mesophase behavior and drug encapsulation were explored in the AB block copolymeric amphiphile composed of poly(ethylene glycol) (PEG) as a hydrophile and poly(propylene sulfide) PPS as a hydrophobe, using the immunosuppressive drug cyclosporin A (CsA) as an example of a highly hydrophobic drug. Block copolymers with a degree of polymerization of 44 on the PEG and of 10, 20 and 40 on the PPS respectively (abbreviated as PEG44-b-PPS10, PEG44-b-PPS20, PEG44-b-PPS40) were synthesized and characterized. Drug-loaded polymeric micelles were obtained by the cosolvent displacement method as well as the remarkably simple method of dispersing the warm polymer melt, with drug dissolved therein, in warm water. Effective drug solubility up to 2 mg/mL in aqueous media was facilitated by the PEG- b-PPS micelles, with loading levels up to 19% w/w being achieved. Release was burst-free and sustained over periods of 9-12 days. These micelles demonstrate interesting solubilization characteristics, due to the low glass transition temperature, highly hydrophobic nature, and good solvent properties of the PPS block

Mutational and computational analysis of the alpha(1b)-adrenergic receptor. Involvement of basic and hydrophobic residues in receptor activation and G protein coupling.

To investigate their role in receptor coupling to G(q), we mutated all basic amino acids and some conserved hydrophobic residues of the cytosolic surface of the alpha(1b)-adrenergic receptor (AR). The wild type and mutated receptors were expressed in COS-7 cells and characterized for their ligand binding properties and ability to increase inositol phosphate accumulation. The experimental results have been interpreted in the context of both an ab initio model of the alpha(1b)-AR and of a new homology model built on the recently solved crystal structure of rhodopsin. Among the twenty-three basic amino acids mutated only mutations of three, Arg(254) and Lys(258) in the third intracellular loop and Lys(291) at the cytosolic extension of helix 6, markedly impaired the receptor-mediated inositol phosphate production. Additionally, mutations of two conserved hydrophobic residues, Val(147) and Leu(151) in the second intracellular loop had significant effects on receptor function. The functional analysis of the receptor mutants in conjunction with the predictions of molecular modeling supports the hypothesis that Arg(254), Lys(258), as well as Leu(151) are directly involved in receptor-G protein interaction and/or receptor-mediated activation of the G protein. In contrast, the residues belonging to the cytosolic extensions of helices 3 and 6 play a predominant role in the activation process of the alpha(1b)-AR. These findings contribute to the delineation of the molecular determinants of the alpha(1b)-AR/G(q) interface.