Some Understanding of Fischer-Tropsch Synthesis from Density Functional Theory Calculations

<p>The combination of density functional theory (DFT) calculations and kinetic analyses is a very useful approach to study surface reactions in heterogeneous catalysis. The present paper reviews some recent work applying this approach to Fischer-Tropsch (FT) synthesis. Emphasis is placed on the following fundamental issues in FT synthesis: (i) reactive sites for both hydrogenation and C-C coupling reactions; (ii) reaction mechanisms including carbene mechanism, CO-insertion mechanism and hydroxyl-carbene mechanism; (iii) selectivity with a focus on CH(4) selectivity, alpha-olefin selectivity and chain growth probability; and (iv) activity.p>

Density Functional Theory Study of Iron and Cobalt Carbides for Fischer-Tropsch Synthesis

<p>Carbides are important phases in heterogeneous catalysis. However, the understanding of carbide phases is inadequate: Fe and Co are the two commercial catalysts for Fischer-Tropsch (FT) synthesis, and experimental work showed that Fe carbide is the active phase in FT synthesis, whereas the appearance of Co carbide is considered as a possible deactivation cause, TO understand very different catalytic roles of carbides, all the key elementary steps in FT synthesis, that is, CO dissociation, C(1) hydrogenation, and C(1)+C(1) coupling, are extensively investigated on both carbide surfaces using first principles calculations. In particular, the most important issues in FT synthesis, the activity and methane selectivity, on the carbide surfaces are quantitatively determined and analyzed. They are also discussed together with metallic Fe and Co surfaces. It is found that (i) Fe carbide is more active than metallic Fe and has similar methane selectivity to Fe, being consistent with the experiments; and (ii) Co carbide is less active than Co and has higher methane selectivity, providing evidence on the molecular level to support the suggestion that the formation of Co carbide is a cause of relatively high methane selectivity and deactivation on Co catalysts.p>

A DFT study of the transition metal promotion effect on ethylene chemisorption on Co(0001)

<p>Transition metals are often introduced to a catalyst as promoters to improve catalytic performance. In this work, we study the promotion effect of transition metals on Co, the preferred catalytic metal for Fischer-Tropsch synthesis because of its good compromise of activity, selectivity and stability, for ethylene chemisorption using density functional theory (DFT) calculations, aiming to provide some insight into improving the alpha-olefin selectivity. In order to obtain the general trend of influence on ethylene chemisorption, twelve transition metals (Zr, Mn, Re, Ru, Rh, It, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag and Au) are calculated. We find that the late transition metals (e.g. Pd and Cu) can decrease ethylene chemisorption energy. These results suggest that the addition of the late transition metals may improve alpha-olefin selectivity. Electronic structure analyses (both charge density distributions and density of states) are also performed and the understanding of calculated results is presented. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.p>

An Energy Descriptor To Quantify Methane Selectivity in Fischer-Tropsch Synthesis:A Density Functional Theory Study

<p>Selectivity is a fundamental issue in heterogeneous catalysis. In this study, the CH(4) selectivity in Fischer-Tropsch synthesis is chosen to be investigated: CH4 selectivity on Rh, Co, Ru, Fe, and Re surfaces is computed by first-principles methods. In conjunction with kinetic analyses, we are able to derive the effective barrier difference between methane formation and chain growth (Delta E(eff)) to quantify the CH(4) selectivity. By using this energy descriptor, the ranking of methane selectivity predicted from density functional theory (DFT) calculations is consistent with experimental work. Moreover, a linear correlation between Delta E(eff) and the chemisorption energy of C + 4H (Delta H) is found. This fundamental finding possesses the following significance: (i) it shows that the selectivity, which appears to have kinetic characteristics, is largely determined by thermodynamic properties; and (ii) it suggests that an increase of the binding strength of C + 4H will suppress methane selectivity.p>

Seismic damage detection for a steel braced frame structure

A new approach for global detection of seismic damage in a single-storey steel concentrically braced frame (CBF) structure is presented. The filtered lateral in-plane acceleration response of the CBF structure is integrated twice to provide the lateral in-plane displacement which is used to infer buckling and yielding damage. The level of interstorey drift of the CBF during a seismic excitation allows the yield and buckling of the bracing members to be identified and indirectly detects damage based on exceedance of calculated lateral in-plane displacement limits. A band-pass filter removes noise from the acceleration signal followed by baseline correction being used to reduce the drift in velocity and displacement during numerical integration. This pre-processing results in reliable numerical integration of the frame acceleration that predicts the displacement response accurately when compared to the measured lateral displacement of the CBF structure. Importantly, the structural damage is not assumed through removal of bracing members, rather damage is induced through actual seismic loading. The buckling and yielding displacement threshold limits used to identify damage are demonstrated to accurately identify the initiation of buckling and yielding.

Genomic meningococcal load in the nasopharynx of children with meningococcal disease

This study demonstrates the feasibility of using quantitative real time PCR to measure genomic bacterial load in the nasopharynx of children with invasive meningococcal disease and shows that these loads are exceptionally high (median 6.6 x 105 (Range 1.2 x 105 to 1.1 x 108) genome copies of Neisseria meningitidis per swab).

Body mass index, cigarette smoking, and alcohol consumption and cancers of the oral cavity, pharynx, and larynx: modeling odds ratios in pooled case-control data.

Odds ratios for head and neck cancer increase with greater cigarette and alcohol use and lower body mass index (BMI; weight (kg)/height(2) (m(2))). Using data from the International Head and Neck Cancer Epidemiology Consortium, the authors conducted a formal analysis of BMI as a modifier of smoking- and alcohol-related effects. Analysis of never and current smokers included 6,333 cases, while analysis of never drinkers and consumers of < or =10 drinks/day included 8,452 cases. There were 8,000 or more controls, depending on the analysis. Odds ratios for all sites increased with lower BMI, greater smoking, and greater drinking. In polytomous regression, odds ratios for BMI (P = 0.65), smoking (P = 0.52), and drinking (P = 0.73) were homogeneous for oral cavity and pharyngeal cancers. Odds ratios for BMI and drinking were greater for oral cavity/pharyngeal cancer (P < 0.01), while smoking odds ratios were greater for laryngeal cancer (P < 0.01). Lower BMI enhanced smoking- and drinking-related odds ratios for oral cavity/pharyngeal cancer (P < 0.01), while BMI did not modify smoking and drinking odds ratios for laryngeal cancer. The increased odds ratios for all sites with low BMI may suggest related carcinogenic mechanisms; however, BMI modification of smoking and drinking odds ratios for cancer of the oral cavity/pharynx but not larynx cancer suggests additional factors specific to oral cavity/pharynx cancer.

Imitation du Sacré-Coeur de Jésus

UANL

Rôle de la protéine ScFRK1 dans le développement du sac embryonnaire et son impact sur le guidage des tubes polliniques

Le gène Solanum chacoense Fertilization-Related Kinase 1 (ScFRK1) code pour une protéine de la famille des MAPKK kinases exprimée spécifiquement dans les ovules. Son transcrit s’accumule principalement dans la zone micropylaire du sac embryonnaire à l’anthèse et diminue rapidement après pollinisation. Ces résultats suggèrent un rôle possible avant ou pendant la fécondation. Bien qu'aucune expression ne soit détectée dans le pollen à maturité, la protéine est cependant présente dans les cellules mères de microspores. Des plantes transgéniques sous-exprimant ScFRK1 ne montrent aucun phénotype au niveau des tissus végétatifs, mais présentent de petits fruits dépourvus de graines. L’étude microscopique du gamétophyte femelle révèle que son développement ne progresse pas au-delà du stade de la mégaspore fonctionnelle et une grande proportion de sacs embryonnaires anormaux est corrélée avec une faible expression de ScFRK1. De plus, la production de pollen viable diminue en fonction de la baisse des niveaux d’expression du gène, ce qui pourrait s’expliquer par un problème au cours de la mitose I. Puisque l’intégrité du sac embryonnaire est essentielle au guidage des tubes polliniques, nous avons conçu un système de guidage semi-in vivo permettant d’évaluer la capacité des ovules du mutant ScFRK1 à les attirer. L’attraction est sévèrement affectée dans de telles conditions, ce qui confirme l'implication des cellules de la zone micropylaire comme source attractive. Notre système nous a également permis de démontrer que le guidage est très spécifique à l’espèce et que cette attraction constitue un mécanisme important favorisant la spéciation et la maintenance des barrières interspécifiques dans la reproduction sexuée des végétaux.

Caractérisation d'une famille de récepteurs kinases impliqués dans le développement gamétophytique chez Arabidopsis thaliana

Au cours du développement des végétaux, de l’établissement de l’identité cellulaire des premiers organes au guidage du tube pollinique, la communication cellule à cellule est d’une importance capitale. En réponse, les voies de signalisation moléculaires sont élaborées pour la perception d’un signal extérieur et la transduction en une réponse génique via une cascade intracellulaire. Les récepteurs kinases font partie des protéines perceptrices des stimuli et constituent chez les plantes une catégorie de protéines avec une occurrence considérable, mais dont très peu d’informations détaillées sont disponibles à ce jour. Une famille de récepteurs kinases chez Arabidopsis thaliana, AtORK11 (Arabidopsis thaliana Ovule Receptor Kinase 11), a été identifiée par orthologie à un récepteur spécifique aux ovaires chez une solanacéee sauvage, Solanum chacoense. La fonction présumée de cette famille de récepteurs kinases de type leucine-rich repeat, suggérée par son patron d’expression, implique les événements relatifs au développement des gamétophytes et à la reproduction. Afin de caractériser la fonction des quatre gènes de la famille (AtORK11a, AtORK11b, AtORK11c et AtORK11d) une stratégie d’analyse de mutants d’insertion de l’ADN-T et d’évaluation du mode d’action par complémentation bimoléculaire par fluorescence (BiFC) a été entreprise. Aucune fonction précise n’a pu être attribuée aux doubles mutants d’insertion, par contre la surexpression d’une construction dominante négative indique un rôle dans le développement gamétophytique. Il a aussi été démontré que les quatre récepteurs peuvent interagir par homodimérisation aussi bien que par hétérodimérisation. Une hypothèse de redondance fonctionnelle est ainsi mise à jour parmi la famille des gènes AtORK11.

La régulation génique chez Solanum chacoense : de la pollinisation jusqu’à l’embryogenèse

Chez les végétaux supérieurs, l’embryogenèse est une phase clé du développement au cours de laquelle l’embryon établit les principales structures qui formeront la future plante et synthétise et accumule des réserves définissant le rendement et la qualité nutritionnelle des graines. Ainsi, la compréhension des évènements moléculaires et physiologiques menant à la formation de la graine représente un intérêt agronomique majeur. Toutefois, l'analyse des premiers stades de développement est souvent difficile parce que l'embryon est petit et intégré à l'intérieur du tissu maternel. Solanum chacoense qui présente des fleurs relativement grande facilitant l’isolation des ovules, a été utilisée pour l’étude de la biologie de la reproduction plus précisément la formation des gamètes femelles, la pollinisation, la fécondation et le développement des embryons. Afin d'analyser le programme transcriptionnel induit au cours de la structuration de ces étapes de la reproduction sexuée, nous avons mis à profit un projet de séquençage de 7741 ESTs (6700 unigènes) exprimés dans l’ovule à différents stades du développement embryonnaire. L’ADN de ces ESTs a été utilisé pour la fabrication de biopuces d’ADN. Dans un premier temps, ces biopuces ont été utilisé pour comparer des ADNc issus des ovules de chaque stade de développement embryonnaire (depuis le zygote jusqu’au embryon mature) versus un ovule non fécondé. Trois profils d’expression correspondant au stade précoce, intermédiaire et tardive ont été trouvés. Une analyse plus approfondie entre chaque point étudié (de 0 à 22 jours après pollinisation), a permis d'identifier des gènes spécifiques caractérisant des phases de transition spécifiques. Les annotations Fonctionnelles des gènes differentiellement exprimés nous ont permis d'identifier les principales fonctions cellulaires impliquées à chaque stade de développement, révélant que les embryons sont engagés dans des actifs processus de différenciation. Ces biopuces d’ADN ont été par la suite utilisé pour comparer différent types de pollinisation (compatible, incompatible, semi-compatible et inter-espèce) afin d’identifier les gènes répondants à plusieurs stimuli avant l'arrivé du tube pollinique aux ovules (activation à distance). Nous avons pu démontrer que le signal perçu par l’ovaire était différent et dépend de plusieurs facteurs, incluant le type de pollen et la distance parcourue par le pollen dans le style. Une autre analyse permettant la comparaison des différentes pollinisations et la blessure du style nous a permis d’identifier que les programmes génétiques de la pollinisation chevauchent en partie avec ceux du stress. Cela était confirmé en traitant les fleurs par une hormone de stress, méthyle jasmonate. Dans le dernier chapitre, nous avons utilisé ces biopuces pour étudier le changement transcriptionnel d’un mutant sur exprimant une protéine kinase FRK2 impliqué dans l’identité des ovules. Nous avons pu sélectionner plusieurs gènes candidat touchés par la surexpression de cette kinase pour mieux comprendre la voie se signalisation. Ces biopuces ont ainsi servi à déterminer la variation au niveau transcriptionnelle des gènes impliqués lors de différents stades de la reproduction sexuée chez les plantes et nous a permis de mieux comprendre ces étapes.

Élaboration d’un bioessai à haut débit pour la découverte de nouveaux ligands péptidiques chez les végétaux

Suite au projet de séquençage du génome d’Arabidopsis thaliana, plus de 400 récepteurs de types serine/thréonine kinases (Protein Receptor Kinase ou PRK) ont été prédits. Par contre, seulement sept paires de récepteurs/ligands ont été caractérisées jusqu’à présent par des techniques de biochimie et d’analyse, de mutants. Parmi ceux-ci figurent les PRK : BRI1, CLV1, SRK, SR160, Haesa-IDA et PEPR1 qui jouent un rôle important dans le développement, l’auto-incompatibilité sporophytique et les mécanismes de défense. Le but de mon projet de maîtrise était de développer un bioessai à haut débit qui permettra la découverte de ligands peptidiques. Le bioessai utilisera des PRK chimériques composés du domaine extracellulaire (l’ectodomaine) de la PRK à l’étude fusionnée au domaine intracellulaire d’une PRK qui agira comme rapporteur. Deux stratégies sont présentement développées dans notre laboratoire : la première consiste à fusionner la PRK à l’étude avec le domaine intracellulaire (l’endodomaine) du récepteur tyrosine kinase animal EGFR (Epidermal Growth Factor Receptor). Suite à l’interaction avec une fraction protéique contenant un ligand correspondant à la PRK étudiée, une transphosphorylation de l’endodomaine (le domaine kinase) serait détectable. La seconde stratégie utilise l’endodomaine du récepteur BRI1, un récepteur répondant aux brassinostéroïdes. Suite à l’interaction avec une fraction protéique contenant un ligand correspondant à la PRK étudiée, cette fois-ci nous devrions être en mesure de mesurer l’activation d’un gène rapporteur répondant normalement à une activation par les brassinostéroïdes.

Implication du peptide ScRALF3 dans le développement du gamétophyte femelle chez Solanum chacoense

La coordination du développement par les communications intercellulaires est essentielle pour assurer la reproduction chez les plantes. Plusieurs études démontrent qu’une communication entre le sac embryonnaire et le tissu maternel, le sporophyte, est essentielle au bon développement des gamètes. Les molécules, peptides ou autres protagonistes impliqués dans ces voies de signalisation ainsi que leur mode d’action restent toutefois nébuleux. Les gènes de type RALF codent pour des petits peptides sécrétés retrouvés de manière spécifique ou ubiquitaire dans la plante. Leur structure en font de parfaits candidats pour permettre ces communications cellule-cellule entre les différents tissus. Treize gènes de type RALF ont été isolés actuellement chez la pomme de terre sauvage Solanum chacoense. Maintenant, nous montrons qu’un de ceux-ci, ScRALF3, est impliqué dans la polarisation du sac embryonnaire et dans la synchronicité des divisions mitotiques assurant la formation d’un gamétophyte femelle mature fonctionnel. Étant exprimé de manière spécifique au niveau des téguments de l’ovule, ScRALF3 est un candidat idéal pour réguler les communications cellule-cellule entre le sporophyte et le sac embryonnaire.

Implication des peptides RALFs dans les communications cellulaires lors du développement du gamétophyte femelle chez Solanum chacoense et Arabidopsis thaliana.

Chez les angiospermes, la reproduction passe par la double fécondation. Le tube pollinique délivre deux cellules spermatiques au sein du gamétophyte femelle. Une cellule féconde la cellule œuf pour produire un zygote; l’autre féconde la cellule centrale pour produire l’endosperme. Pour assurer un succès reproductif, le développement du gamétophyte femelle au sein de l’ovule doit établir un patron cellulaire qui favorise les interactions avec le tube pollinique et les cellules spermatiques. Pour ce faire, un dialogue doit s’établir entre les différentes cellules de l’ovule lors de son développement, de même que lors de la fécondation. D’ailleurs, plusieurs types de communications intercellulaires sont supposées suite à la caractérisation de plusieurs mutants développementaux. De même, ces communications semblent persister au sein du zygote et de l’endosperme pour permettre la formation d’un embryon viable au sein de la graine. Malgré les développements récents qui ont permis de trouver des molécules de signalisation supportant les modèles d’interactions cellulaires avancés par la communauté scientifique, les voies de signalisation sont de loin très incomplètes. Dans le but de caractériser des gènes encodant des protéines de signalisation potentiellement impliqués dans la reproduction chez Solanum chacoense, l’analyse d’expression des gènes de type RALF présents dans une banque d’ESTs (Expressed Sequence Tags) spécifiques à l’ovule après fécondation a été entreprise. RALF, Rapid Alcalinization Factor, est un peptide de 5 kDa qui fait partie de la superfamille des «protéines riches en cystéines (CRPs)», dont les rôles physiologiques au sein de la plante sont multiples. Cette analyse d’expression a conduit à une analyse approfondie de ScRALF3, dont l’expression au sein de la plante se limite essentiellement à l’ovule. L’analyse de plantes transgéniques d’interférence pour le gène ScRALF3 a révélé un rôle particulier lors de la mégagamétogénèse. Les plantes transgéniques présentent des divisions mitotiques anormales qui empêchent le développement complet du sac embryonnaire. Le positionnement des noyaux, de même que la synchronisation des divisions au sein du syncytium, semblent responsables de cette perte de progression lors de la mégagamétogénèse. L’isolement du promoteur de même que l’analyse plus précise d’expression au sein de l’ovule révèle une localisation sporophytique du transcrit. La voie de signalisation de l’auxine régule également la transcription de ScRALF3. De surcroît, ScRALF3 est un peptide empruntant la voie de sécrétion médiée par le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi. En somme, ScRALF3 est un important facteur facilitant la communication entre le sporophyte et le gamétophyte pour amener à maturité le sac embryonnaire. L’identification d’un orthologue potentiel chez Arabidopsis thaliana a conduit à la caractérisation de AtRALF34. L’absence de phénotype lors du développement du sac embryonnaire suggère, cependant, de la redondance génétique au sein de la grande famille des gènes de type RALF. Néanmoins, les peptides RALFs apparaissent comme d’importants régulateurs lors de la reproduction chez Solanum chacoense et Arabidopsis thaliana.