Paralelización de un algoritmo de ray tracing para arrays de mililentes

Máster Universitario en Sistemas Inteligentes y Aplicaciones Numéricas en Ingeniería (SIANI)

Imaging of crustal scatterers using multiple seismic arrays

Array seismology is an useful tool to perform a detailed investigation of the Earth’s interior. Seismic arrays by using the coherence properties of the wavefield are able to extract directivity information and to increase the ratio of the coherent signal amplitude relative to the amplitude of incoherent noise. The Double Beam Method (DBM), developed by Krüger et al. (1993, 1996), is one of the possible applications to perform a refined seismic investigation of the crust and mantle by using seismic arrays. The DBM is based on a combination of source and receiver arrays leading to a further improvement of the signal-to-noise ratio by reducing the error in the location of coherent phases. Previous DBM works have been performed for mantle and core/mantle resolution (Krüger et al., 1993; Scherbaum et al., 1997; Krüger et al., 2001). An implementation of the DBM has been presented at 2D large-scale (Italian data-set for Mw=9.3, Sumatra earthquake) and at 3D crustal-scale as proposed by Rietbrock & Scherbaum (1999), by applying the revised version of Source Scanning Algorithm (SSA; Kao & Shan, 2004). In the 2D application, the rupture front propagation in time has been computed. In 3D application, the study area (20x20x33 km3), the data-set and the source-receiver configurations are related to the KTB-1994 seismic experiment (Jost et al., 1998). We used 60 short-period seismic stations (200-Hz sampling rate, 1-Hz sensors) arranged in 9 small arrays deployed in 2 concentric rings about 1 km (A-arrays) and 5 km (B-array) radius. The coherence values of the scattering points have been computed in the crustal volume, for a finite time-window along all array stations given the hypothesized origin time and source location. The resulting images can be seen as a (relative) joint log-likelihood of any point in the subsurface that have contributed to the full set of observed seismograms.

Influence of genetic variants and post transcriptional factors on imatinib transporters as determinants of the pharmacological response

Introduction – Although imatinib (IM) is a recognized gold standard in chronic myeloid leukemia (CML) therapy, resistance has emerged in a significant proportion of patients. Aim – The aim of this study was: (1) to investigate the role of genetic variants in genes encoding for IM transporters, as candidate of IM responsiveness and (2) to test the influence of miRNAs on IM response, focusing on efflux transporters. Methods – As a first step, a panel of polymorphisms (SNPs) was genotyped in a subgroup population of 189 patients enrolled in the Tyrosine Kinase Inhibitor Optimization and Selectivity (TOPS) trial. The association with cytogenetic response and molecular response (MR) was assessed for each SNP. As a second step, an in vitro IM-resistant model (K-562 CML cell line) was established. miRNAs profiles were analyzed using Taqman arrays and in silico search was performed for miRNAs deregulated after IM treatment. mRNA and protein expression were quantified using TaqMan realtime PCR and Western blotting, respectively. Results – (1) Among Caucasian patients, ABCB1 rs60023214 significantly correlated with complete MR (P = 0.005). Concerning SNPs combination in IM uptake transporters, the associations with treatment outcomes were statistically significant for both major and complete MR (P = 0.005 and P = 0.01, respectively). (2) ABCB1 protein was not expressed under any conditions of treatment, differently from ABCG2. Two deregulated miRNAs, namely miR-212 and miR-328, were identified to be inversely correlated with ABCG2 (r2= 0.57; p=0.03 and r2=0.47; p=0.06, respectively). Experiments of loss and gain of function confirmed the functional influence of these miRNAs on ABCG2. Conclusion – The multiple candidate gene approach identified single and combination of SNPs that can be proposed as predictor of IM response. The in vitro study suggested that IM resistance could be mediated by miRNA-dependent mechanism. Further studies are needed to validate these preliminary findings.

Novel tools for conservation genetics in marine fish: population structure and evolution of the European hake (Merluccius merluccius) inferred by SNP variation and applications to traceability

The research presented in my PhD thesis is part of a wider European project, FishPopTrace, focused on traceability of fish populations and products. My work was aimed at developing and analyzing novel genetic tools for a widely distributed marine fish species, the European hake (Merluccius merluccius), in order to investigate population genetic structure and explore potential applications to traceability scenarios. A total of 395 SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) were discovered from a massive collection of Expressed Sequence Tags, obtained by high-throughput sequencing, and validated on 19 geographic samples from Atlantic and Mediterranean. Genome-scan approaches were applied to identify polymorphisms on genes potentially under divergent selection (outlier SNPs), showing higher genetic differentiation among populations respect to the average observed across loci. Comparative analysis on population structure were carried out on putative neutral and outlier loci at wide (Atlantic and Mediterranean samples) and regional (samples within each basin) spatial scales, to disentangle the effects of demographic and adaptive evolutionary forces on European hake populations genetic structure. Results demonstrated the potential of outlier loci to unveil fine scale genetic structure, possibly identifying locally adapted populations, despite the weak signal showed from putative neutral SNPs. The application of outlier SNPs within the framework of fishery resources management was also explored. A minimum panel of SNP markers showing maximum discriminatory power was selected and applied to a traceability scenario aiming at identifying the basin (and hence the stock) of origin, Atlantic or Mediterranean, of individual fish. This case study illustrates how molecular analytical technologies have operational potential in real-world contexts, and more specifically, potential to support fisheries control and enforcement and fish and fish product traceability.

Continuos Flow Single Cell Separation into Open Microwell Arrays

A novel design based on electric field-free open microwell arrays for the automated continuous-flow sorting of single or small clusters of cells is presented. The main feature of the proposed device is the parallel analysis of cell-cell and cell-particle interactions in each microwell of the array. High throughput sample recovery with a fast and separate transfer from the microsites to standard microtiter plates is also possible thanks to the flexible printed circuit board technology which permits to produce cost effective large area arrays featuring geometries compatible with laboratory equipment. The particle isolation is performed via negative dielectrophoretic forces which convey the particles’ into the microwells. Particles such as cells and beads flow in electrically active microchannels on whose substrate the electrodes are patterned. The introduction of particles within the microwells is automatically performed by generating the required feedback signal by a microscope-based optical counting and detection routine. In order to isolate a controlled number of particles we created two particular configurations of the electric field within the structure. The first one permits their isolation whereas the second one creates a net force which repels the particles from the microwell entrance. To increase the parallelism at which the cell-isolation function is implemented, a new technique based on coplanar electrodes to detect particle presence was implemented. A lock-in amplifying scheme was used to monitor the impedance of the channel perturbed by flowing particles in high-conductivity suspension mediums. The impedance measurement module was also combined with the dielectrophoretic focusing stage situated upstream of the measurement stage, to limit the measured signal amplitude dispersion due to the particles position variation within the microchannel. In conclusion, the designed system complies with the initial specifications making it suitable for cellomics and biotechnology applications.

Forensisch relevante SNP-Genotypisierung mittels elektronischer Microarray-Technologie

Die vorliegende Dissertation entstand im Rahmen eines multizentrischen EU-geförderten Projektes, das die Anwendungsmöglichkeiten von Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) zur Individualisierung von Personen im Kontext der Zuordnung von biologischen Tatortspuren oder auch bei der Identifizierung unbekannter Toter behandelt. Die übergeordnete Zielsetzung des Projektes bestand darin, hochauflösende Genotypisierungsmethoden zu etablieren und zu validieren, die mit hoher Genauigkeit aber geringen Aufwand SNPs im Multiplexformat simultan analysieren können. Zunächst wurden 29 Y-chromosomale und 52 autosomale SNPs unter der Anforderung ausgewählt, dass sie als Multiplex eine möglichst hohe Individualisierungschance aufweisen. Anschließend folgten die Validierungen beider Multiplex-Systeme und der SNaPshot™-Minisequenzierungsmethode in systematischen Studien unter Beteiligung aller Arbeitsgruppen des Projektes. Die validierte Referenzmethode auf der Basis einer Minisequenzierung diente einerseits für die kontrollierte Zusammenarbeit unterschiedlicher Laboratorien und andererseits als Grundlage für die Entwicklung eines Assays zur SNP-Genotypisierung mittels der elektronischen Microarray-Technologie in dieser Arbeit. Der eigenständige Hauptteil dieser Dissertation beschreibt unter Verwendung der zuvor validierten autosomalen SNPs die Neuentwicklung und Validierung eines Hybridisierungsassays für die elektronische Microarray-Plattform der Firma Nanogen Dazu wurden im Vorfeld drei verschiedene Assays etabliert, die sich im Funktionsprinzip auf dem Microarray unterscheiden. Davon wurde leistungsorientiert das Capture down-Assay zur Weiterentwicklung ausgewählt. Nach zahlreichen Optimierungsmaßnahmen hinsichtlich PCR-Produktbehandlung, gerätespezifischer Abläufe und analysespezifischer Oligonukleotiddesigns stand das Capture down-Assay zur simultanen Typisierung von drei Individuen mit je 32 SNPs auf einem Microarray bereit. Anschließend wurde dieses Verfahren anhand von 40 DNA-Proben mit bekannten Genotypen für die 32 SNPs validiert und durch parallele SNaPshot™-Typisierung die Genauigkeit bestimmt. Das Ergebnis beweist nicht nur die Eignung des validierten Analyseassays und der elektronischen Microarray-Technologie für bestimmte Fragestellungen, sondern zeigt auch deren Vorteile in Bezug auf Schnelligkeit, Flexibilität und Effizienz. Die Automatisierung, welche die räumliche Anordnung der zu untersuchenden Fragmente unmittelbar vor der Analyse ermöglicht, reduziert unnötige Arbeitsschritte und damit die Fehlerhäufigkeit und Kontaminationsgefahr bei verbesserter Zeiteffizienz. Mit einer maximal erreichten Genauigkeit von 94% kann die Zuverlässigkeit der in der forensischen Genetik aktuell eingesetzten STR-Systeme jedoch noch nicht erreicht werden. Die Rolle des neuen Verfahrens wird damit nicht in einer Ablösung der etablierten Methoden, sondern in einer Ergänzung zur Lösung spezieller Probleme wie z.B. der Untersuchung stark degradierter DNA-Spuren zu finden sein.

Photoactive Carbon Nanostructures: From Multicomponent Arrays To Nanomaterials

Carbon has a unique ability to shape networks of differently hybridized atoms that can generate various allotropes and may also exist as nanoscale materials. The emergence of carbon nanostructures initially occured through the serendipitous discovery of fullerenes and then through experimental advances which led to carbon nanotubes, nanohorns and graphene. The structural diversity of carbon nanoscopic allotropes and their unique and unprecedentend properties, give rise to countless applications and have been intensively exploited in nanotechnology, since they may address the need to create smarter optoelectronic devices, smaller in size and with better performance. The versatile properties of carbon nanomaterials are reflected in the multidisciplinary character of my doctoral research where, in particular, I take advantage of the opportunities offered by fullerenes and carbon nanotubes in constructing novel functional materials. In this work, carbon nanostructures are incorporated in novel photoactive functional systems constructed through different types of interactions – covalent bonds, ion-pairing or self-assembly. The variety of properties exhibited by carbon nanostructures is successfully explored by assigning them a different role in a specific array: fullerenes are employed as electron or energy acceptors, whereas carbon nanotubes behave like optically inert scaffolds for luminescent materials or nanoscale substrates in sonication-induced self-assembly. All the presented systems serve as a testbed for exploring the properties of carbon nanostructures in multicomponent arrays, which may be advantageous for the production of new photovoltaic or optoelectronic devices, as well as in the design and control of self-assembly processes.

Inverse Static Analysis of Massive Parallel Arrays of Three-State Actuators via Artificial Intelligence

Massive parallel robots (MPRs) driven by discrete actuators are force regulated robots that undergo continuous motions despite being commanded through a finite number of states only. Designing a real-time control of such systems requires fast and efficient methods for solving their inverse static analysis (ISA), which is a challenging problem and the subject of this thesis. In particular, five Artificial intelligence methods are proposed to investigate the on-line computation and the generalization error of ISA problem of a class of MPRs featuring three-state force actuators and one degree of revolute motion.

Multiplex-Genotypisierung forensisch relevanter SNPs unter Verwendung von Microarrays auf chemisch aktivierten Glasflächen

Die Analyse tandem-repetitiver DNA-Sequenzen hat einen festen Platz als genetisches Typisierungsverfahren in den Breichen der stammesgeschichtlichen Untersuchung, der Verwandtschaftsanalyse und vor allem in der forensischen Spurenkunde, bei der es durch den Einsatz der Multiplex-PCR-Analyse von Short Tandem Repeat-Systemen (STR) zu einem Durchbruch bei der Aufklärung und sicheren Zuordnung von biologischen Tatortspuren kam. Bei der Sequenzierung des humanen Genoms liegt ein besonderes Augenmerk auf den genetisch polymorphen Sequenzvariationen im Genom, den SNPs (single nucleotide polymorphisms). Zwei ihrer Eigenschaften – das häufige Vorkommen innerhalb des humanen Genoms und ihre vergleichbar geringe Mutationsrate – machen sie zu besonders gut geeigneten Werkzeugen sowohl für die Forensik als auch für die Populationsgenetik.rnZum Ziel des EU-Projekts „SNPforID“, aus welchem die vorliegende Arbeit entstanden ist, wurde die Etablierung neuer Methoden zur validen Typisierung von SNPs in Multiplexverfahren erklärt. Die Berücksichtigung der Sensitivität bei der Untersuchung von Spuren sowie die statistische Aussagekraft in der forensischen Analyse standen dabei im Vordergrund. Hierfür wurden 52 autosomale SNPs ausgewählt und auf ihre maximale Individualisierungsstärke hin untersucht. Die Untersuchungen der ersten 23 selektierten Marker stellen den ersten Teil der vorliegenden Arbeit dar. Sie umfassen die Etablierung des Multiplexverfahrens und der SNaPshot™-Typisierungsmethode sowie ihre statistische Auswertung. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind ein Teil der darauf folgenden, in enger Zusammenarbeit der Partnerlaboratorien durchgeführten Studie der 52-SNP-Multiplexmethode. rnEbenfalls im Rahmen des Projekts und als Hauptziel der Dissertation erfolgten Etablierung und Evaluierung des auf der Microarray-Technologie basierenden Verfahrens der Einzelbasenverlängerung auf Glasobjektträgern. Ausgehend von einer begrenzten DNA-Menge wurde hierbei die Möglichkeit der simultanen Hybridisierung einer möglichst hohen Anzahl von SNP-Systemen untersucht. Die Auswahl der hierbei eingesetzten SNP-Marker erfolgte auf der Basis der Vorarbeiten, die für die Etablierung des 52-SNP-Multiplexes erfolgreich durchgeführt worden waren. rnAus einer Vielzahl von Methoden zur Genotypisierung von biallelischen Markern hebt sich das Assay in seiner Parallelität und der Einfachheit des experimentellen Ansatzes durch eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis ab. In der vorliegenden Arbeit wurde das „array of arrays“-Prinzip eingesetzt, um zur gleichen Zeit unter einheitlichen Versuchsbedingungen zwölf DNA-Proben auf einem Glasobjektträger zu typisieren. Auf der Basis von insgesamt 1419 typisierten Allelen von 33 Markern konnte die Validierung mit einem Typisierungserfolg von 86,75% abgeschlossen werden. Dabei wurden zusätzlich eine Reihe von Randbedingungen in Bezug auf das Sonden- und Primerdesign, die Hybridisierungsbedingungen sowie physikalische Parameter der laserinduzierten Fluoreszenzmessung der Signale ausgetestet und optimiert. rn

Identification of CNV and QTL for productive and functional traits in dairy cattle using dense SNP chips

The thesis identify CNV structural variants as possible markers for genomic selection and identify QTL regions for Fatty Acid Content in the Italian Brown Swiss population. Additionally it maps the QTL for mastitis resistance in the Valdostana Red Pied cattle.

Two-dimensional linear-combination model fitting of magnetic resonance spectra to define the macromolecule baseline using FiTAID, a Fitting Tool for Arrays of Interrelated Datasets

To propose the determination of the macromolecular baseline (MMBL) in clinical 1H MR spectra based on T(1) and T(2) differentiation using 2D fitting in FiTAID, a general Fitting Tool for Arrays of Interrelated Datasets.

Surface-acoustic-wave counterflow micropumps for on-chip liquid motion control in two-dimensional microchannel arrays

Fully controlled liquid injection and flow in hydrophobic polydimethylsiloxane (PDMS) two-dimensional microchannel arrays based on on-chip integrated, low-voltage-driven micropumps are demonstrated. Our architecture exploits the surface-acoustic-wave (SAW) induced counterflow mechanism and the effect of nebulization anisotropies at crossing areas owing to lateral propagating SAWs. We show that by selectively exciting single or multiple SAWs, fluids can be drawn from their reservoirs and moved towards selected positions of a microchannel grid. Splitting of the main liquid flow is also demonstrated by exploiting multiple SAW beams. As a demonstrator, we show simultaneous filling of two orthogonal microchannels. The present results show that SAW micropumps are good candidates for truly integrated on-chip fluidic networks allowing liquid control in arbitrarily shaped two-dimensional microchannel arrays.