Innovations of wide-field optical-sectioning fluorescence microscopy : toward high-speed volumetric bio-imaging with simplicity

Optical microscopy has become an indispensable tool for biological researches since its invention, mostly owing to its sub-cellular spatial resolutions, non-invasiveness, instrumental simplicity, and the intuitive observations it provides. Nonetheless, obtaining reliable, quantitative spatial information from conventional wide-field optical microscopy is not always intuitive as it appears to be. This is because in the acquired images of optical microscopy the information about out-of-focus regions is spatially blurred and mixed with in-focus information. In other words, conventional wide-field optical microscopy transforms the three-dimensional spatial information, or volumetric information about the objects into a two-dimensional form in each acquired image, and therefore distorts the spatial information about the object. Several fluorescence holography-based methods have demonstrated the ability to obtain three-dimensional information about the objects, but these methods generally rely on decomposing stereoscopic visualizations to extract volumetric information and are unable to resolve complex 3-dimensional structures such as a multi-layer sphere.

The concept of optical-sectioning techniques, on the other hand, is to detect only two-dimensional information about an object at each acquisition. Specifically, each image obtained by optical-sectioning techniques contains mainly the information about an optically thin layer inside the object, as if only a thin histological section is being observed at a time. Using such a methodology, obtaining undistorted volumetric information about the object simply requires taking images of the object at sequential depths.

Among existing methods of obtaining volumetric information, the practicability of optical sectioning has made it the most commonly used and most powerful one in biological science. However, when applied to imaging living biological systems, conventional single-point-scanning optical-sectioning techniques often result in certain degrees of photo-damages because of the high focal intensity at the scanning point. In order to overcome such an issue, several wide-field optical-sectioning techniques have been proposed and demonstrated, although not without introducing new limitations and compromises such as low signal-to-background ratios and reduced axial resolutions. As a result, single-point-scanning optical-sectioning techniques remain the most widely used instrumentations for volumetric imaging of living biological systems to date.

In order to develop wide-field optical-sectioning techniques that has equivalent optical performance as single-point-scanning ones, this thesis first introduces the mechanisms and limitations of existing wide-field optical-sectioning techniques, and then brings in our innovations that aim to overcome these limitations. We demonstrate, theoretically and experimentally, that our proposed wide-field optical-sectioning techniques can achieve diffraction-limited optical sectioning, low out-of-focus excitation and high-frame-rate imaging in living biological systems. In addition to such imaging capabilities, our proposed techniques can be instrumentally simple and economic, and are straightforward for implementation on conventional wide-field microscopes. These advantages together show the potential of our innovations to be widely used for high-speed, volumetric fluorescence imaging of living biological systems.

The relative abundances of Sn, Te, Xe, Ba, and Ce in the cosmic radiation

Elements with even atomic number (Z) in the interval 50 ≤ Z ≤ 58 have been resolved in the cosmic radiation using the Heavy Nuclei Experiment on the HEAO-3 satellite. Their relative abundances have been compared with the results expected from pure r-process material, pure s-process material, and solar system material, both with and without a modification due to possible first ionization potential effects. Such effects may be the result of the preferential acceleration, and hence enhancement in the cosmic rays, or those elements having low first ionization potentials. We find that our measurements are inconsistent with pure r-process material at the greater than 98% confidence level whether or not the first ionization potential adjustments are made.

In addition, we have compared our results with mixtures having varying ratios of pure r-process material to pure s-process material. We find that, if no first ionization potential effects are included,

(r/s)CRS/(r/s)SS = 0.20^+0.18_-0.14

where CRS refers to the cosmic ray source and SS refers to the solar system, consistent with having an almost pure s-process source. If the first ionization potential adjustments are applied

(r/s)CRS/(r/s)SS = 1.5^+1.1_-0.7

consistent with a solar system mixture.

Quantitative, Time-Resolved Proteomic Analysis Using Bio-Orthogonal Non-Canonical Amino Acid Tagging

Bio-orthogonal non-canonical amino acid tagging (BONCAT) is an analytical method that allows the selective analysis of the subset of newly synthesized cellular proteins produced in response to a biological stimulus. In BONCAT, cells are treated with the non-canonical amino acid L-azidohomoalanine (Aha), which is utilized in protein synthesis in place of methionine by wild-type translational machinery. Nascent, Aha-labeled proteins are selectively ligated to affinity tags for enrichment and subsequently identified via mass spectrometry. The work presented in this thesis exhibits advancements in and applications of the BONCAT technology that establishes it as an effective tool for analyzing proteome dynamics with time-resolved precision.

Chapter 1 introduces the BONCAT method and serves as an outline for the thesis as a whole. I discuss motivations behind the methodological advancements in Chapter 2 and the biological applications in Chapters 2 and 3.

Chapter 2 presents methodological developments that make BONCAT a proteomic tool capable of, in addition to identifying newly synthesized proteins, accurately quantifying rates of protein synthesis. I demonstrate that this quantitative BONCAT approach can measure proteome-wide patterns of protein synthesis at time scales inaccessible to alternative techniques.

In Chapter 3, I use BONCAT to study the biological function of the small RNA regulator CyaR in Escherichia coli. I correctly identify previously known CyaR targets, and validate several new CyaR targets, expanding the functional roles of the sRNA regulator.

In Chapter 4, I use BONCAT to measure the proteomic profile of the quorum sensing bacterium Vibrio harveyi during the time-dependent transition from individual- to group-behaviors. My analysis reveals new quorum-sensing-regulated proteins with diverse functions, including transcription factors, chemotaxis proteins, transport proteins, and proteins involved in iron homeostasis.

Overall, this work describes how to use BONCAT to perform quantitative, time-resolved proteomic analysis and demonstrates that these measurements can be used to study a broad range of biological processes.

Bizi-mailaren nazio arteko ezberdintasunak: ekonomien konberjentziarik ba al da?

EUSKARA:Idatzi honetan denbora aurrera pasa ahala aurrezki tasak, biztanleriaren hazkundeak eta teknologiaren aurrerapenak hazkunde ekonomikoan duten eragina aztertuko dugu. Horretaz aparte, bizi-mailaren nazio arteko ezberdintasunak eta herrialde desberdinen ekonomiak bat-etorriko diren ala ez analizatuko dugu. Horretarako, Solow-en eredua erabiliko dugu. Ereduak kontsideratzen dituen populazioaren aldaketak eta aurrerakuntza teknologikoen eraginak lanean barneratzeaz gain, konbergentzia aztertuko dugu. Hau da, gutxien garatuak daudenak eta garapen bidean daudenak garatuak daudenen posizioetara hurbilduko diren ala ez eta zeintzuk izan daitezkeen horren arrazoiak. Asiako, Afrikako eta ELGA erakundearen herrialde batzuen datuak hartuta konbergentzia aztertuko dugu. ELGA herrien kasuan, konbergentzia eman dela ikusten da, hau da, nazioek bat-egin dute. Asiako zenbait herrialdetan ere horrela dirudi. Afrikako herrialdeekin, ordea, ez da hori ikusten, herrialde bakoitzak bere norabidea jarraitzen du. Kasu honetan, ez da konbergentziarako patroi argirik ikusten.

Valoración de bio-oil completo por craqueo catalítico en condiciones de la unidad FCC de refinería

351 p.

Vulnerabilidade socioambiental dos manguezais de Garapuá, Cairu/BA frente à inserção da indústria petroleira.

Manguezais são ecossistemas marinhos costeiros que ocorrem nas regiões tropicais e subtropicais do globo. A associação desses ambientes a formações recifais é restrita, particularmente no Brasil, onde se destaca a ilha de Tinharé, na costa sul do estado da Bahia, não só pela ocorrência desse sistema manguezal-recifes, mas também pelo desenvolvimento estrutural da floresta e pela atividade produtiva de mariscagem exercida pela população do povoado de Garapuá. Apesar da proximidade de Morro de São Paulo, atrator turístico internacional, este povoado experimentava certo isolamento socioeconômico até a chegada da indústria do petróleo que, em função de suas potencialidades e riscos, tensionou a vida da comunidade local. Este estudo tem por objetivo analisar a vulnerabilidade socioambiental dos manguezais adjacentes à Garapuá, Cairu-BA, frente a inserção da indústria petrolífera na região, a partir da caracterização estrutural das florestas de mangue e da caracterização social do povoado de Garapuá e, particularmente, das marisqueiras usuárias deste ecossistema. As abordagens metodológicas utilizadas podem ser classificadas como pesquisas quantitativas, empregadas no levantamento fitossociológico, e qualitativas, utilizadas a partir de observações de campo e entrevistas, além de levantamentos bibliográficos, para elaboração das análises sociais. Os resultados indicam florestas de mangue de porte variável, em bom estado de conservação, com altura média das dez árvores mais altas entre 2,40,2 metros (estação 7) e 22,71,1 metros (estação 29), geralmente dominadas por Rhizophora mangle (38 das 52 estações de amostragem). A partir da caracterização estrutural foi realizado teste estatístico de agrupamento que, aliado a aspectos da arquitetura das árvores, permitiu a classificação das florestas em 12 Tipos Estruturais. As análises relativas à vulnerabilidade ambiental fundamentaram-se nos aspectos de sensibilidade e na posição fisiográfica ocupada por cada Tipo de floresta e identificaram níveis distintos de vulnerabilidade a derramamentos de óleo. Com relação aos aspectos sociais, as informações sobre os sistemas socioeconômicos e culturais relacionados à saúde, à educação, às práticas produtivas e à geração de renda, ao transporte, à religião e à organização social, como um todo, evidenciaram vulnerabilidades frente à inserção da indústria do petróleo, apontando as marisqueiras como o segmento mais suscetível a vivenciar os riscos e os impactos desse empreendimento no local. A inserção da indústria do petróleo neste contexto socioambiental representa aumento de riscos e, consequentemente, de vulnerabilidade socioambiental, na medida em que o diálogo estabelecido entre empreendedor e população se apresenta de forma assimétrica, dificultando a participação da população local, sobretudo dos mais excluídos que, nesse caso, são representados pelos usuários dos manguezais.

Poly(lactic acid)-based bio-blends and nanocomposites

172 p.

Ba（NO3）2晶体受激拉曼散射的角度分布和脉冲压缩(英文)

报道了利用重复频率为30HZ，波长为532nm的Nd：YAG倍频激光单次通过抽运硝酸钡（Ba（NO3）2）晶体（晶体由水溶液降温法生长，长度为48mm，横截面为10mm×10mm），获得高效率的一阶（563nm），二阶（599nm）和三阶（639nm）斯托克斯光的实验结果．硝酸钡晶体沿着[110]晶轴方向切割．观测到一、二、三阶斯托克斯光呈锥形环分布，一、二、三阶斯托克斯光的散射外边缘与抽运光轴线间的夹角大小分别为1．7°，3．5°，5．0°．同时也观测到Ba（NO3）2的SRS角度分布与抽运光强度无关．

高效率,窄脉冲1198.5nm Ba(NO_3)_2喇曼激光器(英文)

利用1 064 nm的Nd∶YAG激光抽运振荡腔内的硝酸钡晶体,获得高效率、窄脉冲的喇曼激光输出.硝酸钡晶体由水溶液降温法生长,长度为48 mm.喇曼振荡腔由对抽运光、一阶、二阶斯托克斯光有不同反射率的双色平面镜构成.当抽运光功率达到4.5 W时,获得最高的一阶斯托克斯喇曼激光功率为1.48 W,相应的转换效率为32.9%,并测得斜率效率为40%.由于受激喇曼散射的作用,喇曼脉冲光由抽运脉冲光的19.8 ns压缩为2.4 ns,获得的喇曼激光脉冲波形具有的＂上升沿陡峭、下降沿缓慢＂的特性,对其形成过程作了

Influence of heat treatment on spectroscopic properties of Er3+ in multicomponent ZrF4-ZnF2-AlF3-YF3-MF2 (M = Ca, Sr, Ba) based glass

Er3+ doped multicomponent fluoride based glass was prepared. These precursor fluoride glass samples were then heated using different schedules. Crystalline phase particles were successfully precipitated in the multicomponent fluoride glass samples after heat treatment. The influence of heat treatment on the spectroscopic properties of Er3+ in multicomponent fluoride based glass samples were discussed. Small changes of the Judd-Ofelt parameters Omega(i) (i = 2,4,6) were found in multicomponent fluoride glass samples before and after heat treatment compared to oxyfluoride telluride glass. Preparation conditions used to produce transparent multicomponent fluoride glass ceramics doped with rare-earth ions are discussed. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Avaliação da acidez de bio-óleos obtidos pela pirólise de óleos vegetais pós-consumo

O descarte irregular do óleo vegetal pós-consumo diretamente na rede de esgoto vem causando grandes problemas para o meio ambiente. Atualmente, essa problemática tem se intensificado devido ao aumento de produção e consumo destes óleos, o que por conseqüência aumenta o despejo desordenado. No presente estudo foi realizada a obtenção do bio-óleo a partir da pirólise térmica em atmosfera de nitrogênio, a 400C, por 20 minutos, do óleo vegetal pós-consumo, provenientes das seguintes oleoginosas: soja, milho, girassol e canola. As pirólises não-catalíticas apresentaram uma geração média entre 40 e 50% de um bio-óleo, de elevado índice de acidez, 81,8 mg NaOH/g. Na pirólise catalítica, a argila ácida K10 foi o catalisador que apresentou melhor eficácia para geração de um bio-óleo de menor índice de acidez. A concentração ótima do catalisador foi de 5%(m/m), gerando 482 % de um bio-óleo com índice de acidez de 43,8 mg NaOH/g. A caracterização dos líquidos pirolíticos obtidos foi realizada através da técnica de espectrofotometria na região do infravermelho (FTIR) e cromatografia em fase gasosa acoplada a espectrômetro de massas (CG/EM) que monstraram que a trioleína, o triglicerídeo do ácido oléico, foi craqueado, gerando o hexadecanoato de octadecila e o oleato de eicosila, ésteres do respectivo ácido graxo

White spot syndrome virus (WSSV) transmission risk through infected cooked shrimp products assessed by polymerase chain reaction (PCR) and bio-inoculation studies

The aim of the study was to evaluate the resistance of white spot syndrome virus (WSSV) in shrimps (Penaeus monodon) to the process of cooking. The cooking was carried out at 1000C six different durations 5, 10, 15, 20, 25 and 30 min. The presence of WSSV was tested by single step and nested polymerase chain reaction (PCR). In the single step PCR, the primers 1s5 & 1a16 and IK1 & IK2 were used. While in the nested PCR, primers IK1 &IK2 – IK3 & IK4 were used for the detection of WSSV. WSSV was detected in the single step PCR with the primers 1s5 and 1a16 and the nested PCR with the primers IK1 and IK2 – IK3 & IK4 from the cooked shrimp samples. The cooked shrimps, which gave positive results for WSSV by PCR, were further confirmed for the viability of WSSV by conducting the bio-inoculation studies. Mortality (100%) was observed within 123 h of intra-muscular post injection (P.I) into the live healthy WSSV-free shrimps (P. monodon). These results show that the WSSV survive the cooking process and even infected cooked shrimp products may pose a transmission risk for WSSV to the native shrimp farming systems.

Avaliação da origem de hidrocarbonetos observados na região limítrofe entre as bacias de Almada e Jequitinhonha, BA

O presente estudo aborda a caracterização geológica em termos estruturais e estratigráficos do sistema petrolífero responsável pela ocorrência de exsudações de óleos encontradas sobre o embasamento cristalino na região limítrofe entre as bacias de Almada e Jequitinhonha. A partir das amostras de óleo coletadas no campo, foram feitas análises geoquímicas (Isótopos e biomarcadores) que permitiram definir duas famílias de óleo: (a) Família I, com altas proporções de esteranos C28, predominância do terpanos tricíclico C23 e proporções elevadas do Hopano C29, características de óleos gerados em ambiente marinho carbonático, provavelmente de idade albiana a turoniana; e (b) Família II, com valores δ13C de -26,8, e presença marcante de gamacerano, que sugere uma rocha geradora formada em um ambiente hipersalino, característico do Aptiano. A interpretação das linhas sísmicas possibilitou a definição de um sistema de migração, para os óleos analisados, da rocha geradora até a superfície. O arcabouço estrutural sugere um processo de migração das falhas do rifte para os altos estruturais ao longo de um sistema de falhas NW-SE, encontradas na região associada às zonas de transferência de Ilhéus. A ausência de um selo efetivo favoreceu a migração do óleo até a superfície. A interpretação geológica integrada à caracterização geoquímica dos óleos indica a existência de sistemas petrolíferos ativos e sugere o controle estrutural na distribuição das exsudações de óleo. Adicionalmente, se fez uma caracterização faciológica, palinológica e geoquímica (%COT, RI, %S, isótopos de carbono e biomarcadores) dos sedimentos aflorantes entre as cidades de Ilhéus e Una, que foram associados neste estudo à Formação Rio Doce. A partir da correlação dos afloramentos estudados observa-se que os mesmos representariam a porção mais superior da Formação Rio Doce depositada no Mioceno, segundo as análises palinológicas. Esta deposição ocorreu dentro de uma progressiva tendência de raseamento, no contexto de um trato de sistema de mar alto, onde teriam-se desenvolvido espessos pacotes de folhelhos sílticos de água rasa, intercalados com barras arenosas em um contexto estuarino.