The metastability of human UDP-galactose 4'-epimerase (GALE) is increased by variants associated with type III galactosemia but decreased by substrate and cofactor binding

Type III galactosemia is an inherited disease caused by mutations which affect the activity of UDP-galactose 4'-epimerase (GALE). We evaluated the impact of four disease-associated variants (p.N34S, p.G90E, p.V94M and p.K161N) on the conformational stability and dynamics of GALE. Thermal denaturation studies showed that wild-type GALE denatures at temperatures close to physiological, and disease-associated mutations often reduce GALE's thermal stability. This denaturation is under kinetic control and results partly from dimer dissociation. The natural ligands, NAD(+) and UDP-glucose, stabilize GALE. Proteolysis studies showed that the natural ligands and disease-associated variations affect local dynamics in the N-terminal region of GALE. Proteolysis kinetics followed a two-step irreversible model in which the intact protein is cleaved at Ala38 forming a long-lived intermediate in the first step. NAD(+) reduces the rate of the first step, increasing the amount of undigested protein whereas UDP-glucose reduces the rate of the second step, increasing accumulation of the intermediate. Disease-associated variants affect these rates and the amounts of protein in each state. Our results also suggest communication between domains in GALE. We hypothesize that, in vivo, concentrations of natural ligands modulate GALE stability and that it should be possible to discover compounds which mimic the stabilising effects of the natural ligands overcoming mutation-induced destabilization.

Energy Detection based Spectrum Sensing over Two-wave with Diffuse Power Fading Channels

One of the most important factors that affects the performance of energy detection (ED) is the fading channel between the wireless nodes. This article investigates the performance of ED-based spectrum sensing, for cognitive radio (CR), over two-wave with diffuse power (TWDP) fading channels. The TWDP fading model characterizes a variety of fading channels, including well-known canonical fading distributions, such as Rayleigh and Rician, as well as worse than Rayleigh fading conditions modeled by the two-ray fading model. Novel analytic expressions for the average probability of detection over TWDP fading that account for single-user and cooperative spectrum sensing as well as square law selection diversity reception are derived. These expressions are used to analyze the behavior of ED-based spectrum sensing over moderate, severe and extreme fading conditions, and to investigate the use of cooperation and diversity as a means of mitigating the fading effects. Our results indicate that TWDP fading conditions can significantly degrade the sensing performance; however, it is shown that detection performance can be improved when cooperation and diversity are employed. The presented outcomes enable us to identify the limits of ED-based spectrum sensing and quantify the trade-offs between detection performance and energy efficiency for cognitive radio systems deployed within confined environments such as in-vehicular wireless networks.

Trophic assessment in chinese coastal systems

Dissertação mest., Gestão da Água e da Costa, Universidade do Algarve, 2007

Towards a hydrodynamic operational model of the Algarve coast and St. Vincent Cape

This study attempts to implement a hydrodynamic operational model which can ultimately be used for projecting oil spill dispersal patterns and also sewage, pollution and can also be used in wave forecasting. A two layer nested model was created using MOHID Water, which is powerful ocean modelling software. The first layer (father) is used to impose the boundary conditions for the second layer (son). This was repeated for two different wind dominant regimes, Easterly and Westerly winds respectively. A qualitative comparison was done between measured tidal data and the tidal output. Sea surface temperature was also qualitatively compared with the model’s results. The results from both simulations were analysed and compared to historical literature. The comparison was done at the surface layer, 100 metre depth and at 800m depth. In the surface layer the first simulation generated an upwelling event near Cape St. Vincent and within the Algarve. The second simulation generated a non-upwelling event within which the surface was flow reversed and the warm water mass was along the Algarve coastline and evening turning clockwise around Cape St. Vincent. At the 100 metre depth for both simulations, velocity vortexes were observed near Cape St. Vincent travelling northerly and southerly at various instances. At 800metre depth a strong oceanic flow was observed moving north westerly along the continental shelf.

Sei whale (Balaenoptera borealis) ecology and management in the North Atlantic

Tese de Doutoramento em Ciências do Mar, especialidade em Ecologia Marinha.

Assigning real-time tasks on heterogeneous multiprocessors with two unrelated types of processors

A preliminary version of this paper appeared in Proceedings of the 31st IEEE Real-Time Systems Symposium, 2010, pp. 239–248.

Formation Control Driven by Cooperative Object Tracking

In this paper we introduce a formation control loop that maximizes the performance of the cooperative perception of a tracked target by a team of mobile robots, while maintaining the team in formation, with a dynamically adjustable geometry which is a function of the quality of the target perception by the team. In the formation control loop, the controller module is a distributed non-linear model predictive controller and the estimator module fuses local estimates of the target state, obtained by a particle filter at each robot. The two modules and their integration are described in detail, including a real-time database associated to a wireless communication protocol that facilitates the exchange of state data while reducing collisions among team members. Simulation and real robot results for indoor and outdoor teams of different robots are presented. The results highlight how our method successfully enables a team of homogeneous robots to minimize the total uncertainty of the tracked target cooperative estimate while complying with performance criteria such as keeping a pre-set distance between the teammates and the target, avoiding collisions with teammates and/or surrounding obstacles.

Characterization of the state transition in the cyanobacterium synechococcus sp. 7002 and a phycobilisome-less Mutant

ABSTRACT Photosynthetic state transitions were investigated in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002 in both wild-type cells and mutant cells lacking phycobilisomes. Preillumination in the presence of DCMU (3(3,4 dichlorophenyl) 1,1 dimethyl urea) induced state 1 and dark adaptation induced state 2 in both wild-type and mutant cells as determined by 77K fluorescence emission spectroscopy. Light-induced transitions were observed in the wildtype after preferential excitation of phycocyanin (state 2) or preferential excitation of chlorophyll .a. (state 1). The state 1 and 2 transitions in the wild-type had half-times of approximately 10 seconds. Cytochrome f and P-700 oxidation kinetics could not be correlated with any current state transition model as cells in state 1 showed faster oxidation kinetics regardless of excitation wavelength. Light-induced transitions were also observed in the phycobilisomeless mutant after preferential excitation of short wavelength chlorophyll !l. (state 2) or carotenoids and long wavelength chlorophyll it (state 1). One-dimensional electrophoresis revealed no significant differences in phosphorylation patterns of resolved proteins between wild-type cells in state 1 and state 2. It is concluded that the mechanism of the light state transition in cyanobacteria does not require the presence of the phycobilisome. The results contradict proposed models for the state transition which require an active role for the phycobilisome.

La sélectivité fonctionnelle des ligands du récepteur delta opiacé

Les récepteurs couplés aux protéines GRCPG sont une des plus grandes familles de récepteur membranaire codifié par le génome humain et certainement la plus grande famille de récepteurs. Localisés au niveau des membranes plasmiques, ils sont responsables d’une grande variété de réponses cellulaires. L’activation de ces derniers par des ligands était traditionnellement associée à un changement de conformation de la protéine, passant d’un état inactif à un état actif. Toutefois, certaines observations entraient en contradiction avec cette théorie et laissaient supposer la présence de plusieurs conformations actives du récepteur. Ces différentes conformations pouvaient être actives pour certaines voies de signalisation ou de régulation et inactives pour d’autres. Ce phénomène, initialement appelé agoniste dirigé ou « biased agonism », est maintenant décrit comme étant la sélectivité fonctionnelle des ligands des RCPG. Cette sélectivité des voies de signalisation et de régulation permettrait en théorie de développer des ligands capables de cibler seulement les voies de signalisation et de régulation responsable des effets thérapeutiques sans activer les voies responsables des effets secondaires ou indésirables. Le récepteur delta opiacé (DOR) est un RCPG impliqué dans la gestion de la douleur chronique. L’action analgésique de ses ligands est toutefois soumise à un effet de tolérance produite lors de leur utilisation à long terme. Cet effet secondaire limite l’utilisation thérapeutique de ces médicaments. Cette thèse s’est donc intéressée à la sélectivité fonctionnelle des ligands du DOR afin d’évaluer la possibilité de réduire les effets de tolérance produits par ces molécules. En premier lieu, nous avons déterminé que le DOR peut être stabilisé dans plusieurs conformations actives dépendantes du ligand qui le lie et ces conformations possèdent différents profils d’activation des voies de signalisation et de régulation. En deuxième lieu, nous avons déterminé que les différents ligands du DOR stabilisent des conformations du complexe récepteur/protéine G qui ne concordent pas avec la théorie des récepteurs à deux états, suggérant plutôt la présence d’une multitude de conformations actives. Finalement, nous avons démontré que ces différentes conformations interagissaient de façon distincte avec les protéines de régulation des RCPG; le ligand favorisant le retour du récepteur à la membrane produisant moins de désensibilisation et moins de tolérance aiguë à l’analgésie que le ligand favorisant la séquestration du récepteur à l’intérieur de la cellule. Les résultats de cette thèse démontrent que la sélectivité fonctionnelle des ligands opiacés pourrait être utilisée dans le développement de nouveau analgésique produisant moins de tolérance.

La structure de Jordan des matrices de transfert des modèles de boucles et la relation avec les hamiltoniens XXZ

Les modèles sur réseau comme ceux de la percolation, d’Ising et de Potts servent à décrire les transitions de phase en deux dimensions. La recherche de leur solution analytique passe par le calcul de la fonction de partition et la diagonalisation de matrices de transfert. Au point critique, ces modèles statistiques bidimensionnels sont invariants sous les transformations conformes et la construction de théories des champs conformes rationnelles, limites continues des modèles statistiques, permet un calcul de la fonction de partition au point critique. Plusieurs chercheurs pensent cependant que le paradigme des théories des champs conformes rationnelles peut être élargi pour inclure les modèles statistiques avec des matrices de transfert non diagonalisables. Ces modèles seraient alors décrits, dans la limite d’échelle, par des théories des champs logarithmiques et les représentations de l’algèbre de Virasoro intervenant dans la description des observables physiques seraient indécomposables. La matrice de transfert de boucles D_N(λ, u), un élément de l’algèbre de Temperley- Lieb, se manifeste dans les théories physiques à l’aide des représentations de connectivités ρ (link modules). L’espace vectoriel sur lequel agit cette représentation se décompose en secteurs étiquetés par un paramètre physique, le nombre d de défauts. L’action de cette représentation ne peut que diminuer ce nombre ou le laisser constant. La thèse est consacrée à l’identification de la structure de Jordan de D_N(λ, u) dans ces représentations. Le paramètre β = 2 cos λ = −(q + 1/q) fixe la théorie : β = 1 pour la percolation et √2 pour le modèle d’Ising, par exemple. Sur la géométrie du ruban, nous montrons que D_N(λ, u) possède les mêmes blocs de Jordan que F_N, son plus haut coefficient de Fourier. Nous étudions la non diagonalisabilité de F_N à l’aide des divergences de certaines composantes de ses vecteurs propres, qui apparaissent aux valeurs critiques de λ. Nous prouvons dans ρ(D_N(λ, u)) l’existence de cellules de Jordan intersectorielles, de rang 2 et couplant des secteurs d, d′ lorsque certaines contraintes sur λ, d, d′ et N sont satisfaites. Pour le modèle de polymères denses critique (β = 0) sur le ruban, les valeurs propres de ρ(D_N(λ, u)) étaient connues, mais les dégénérescences conjecturées. En construisant un isomorphisme entre les modules de connectivités et un sous-espace des modules de spins du modèle XXZ en q = i, nous prouvons cette conjecture. Nous montrons aussi que la restriction de l’hamiltonien de boucles à un secteur donné est diagonalisable et trouvons la forme de Jordan exacte de l’hamiltonien XX, non triviale pour N pair seulement. Enfin nous étudions la structure de Jordan de la matrice de transfert T_N(λ, ν) pour des conditions aux frontières périodiques. La matrice T_N(λ, ν) a des blocs de Jordan intrasectoriels et intersectoriels lorsque λ = πa/b, et a, b ∈ Z×. L’approche par F_N admet une généralisation qui permet de diagnostiquer des cellules intersectorielles dont le rang excède 2 dans certains cas et peut croître indéfiniment avec N. Pour les blocs de Jordan intrasectoriels, nous montrons que les représentations de connectivités sur le cylindre et celles du modèle XXZ sont isomorphes sauf pour certaines valeurs précises de q et du paramètre de torsion v. En utilisant le comportement de la transformation i_N^d dans un voisinage des valeurs critiques (q_c, v_c), nous construisons explicitement des vecteurs généralisés de Jordan de rang 2 et discutons l’existence de blocs de Jordan intrasectoriels de plus haut rang.

Quantitative functional MRI of the Cerebrovascular Reactivity to CO2

Le dioxyde de carbone (CO2) est un résidu naturel du métabolisme cellulaire, la troisième substance la plus abondante du sang, et un important agent vasoactif. À la moindre variation de la teneur en CO2 du sang, la résistance du système vasculaire cérébral et la perfusion tissulaire cérébrale subissent des changements globaux. Bien que les mécanismes exacts qui sous-tendent cet effet restent à être élucidés, le phénomène a été largement exploité dans les études de réactivité vasculaire cérébrale (RVC). Une voie prometteuse pour l’évaluation de la fonction vasculaire cérébrale est la cartographie de la RVC de manière non-invasive grâce à l’utilisation de l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Des mesures quantitatives et non-invasives de de la RVC peuvent être obtenus avec l’utilisation de différentes techniques telles que la manipu- lation du contenu artériel en CO2 (PaCO2) combinée à la technique de marquage de spin artériel (Arterial Spin Labeling, ASL), qui permet de mesurer les changements de la perfusion cérébrale provoqués par les stimuli vasculaires. Toutefois, les préoccupations liées à la sensibilité et la fiabilité des mesures de la RVC limitent de nos jours l’adoption plus large de ces méthodes modernes de IRMf. J’ai considéré qu’une analyse approfondie ainsi que l’amélioration des méthodes disponibles pourraient apporter une contribution précieuse dans le domaine du génie biomédical, de même qu’aider à faire progresser le développement de nouveaux outils d’imagerie de diagnostique. Dans cette thèse je présente une série d’études où j’examine l’impact des méthodes alternatives de stimulation/imagerie vasculaire sur les mesures de la RVC et les moyens d’améliorer la sensibilité et la fiabilité de telles méthodes. J’ai aussi inclus dans cette thèse un manuscrit théorique où j’examine la possible contribution d’un facteur méconnu dans le phénomène de la RVC : les variations de la pression osmotique du sang induites par les produits de la dissolution du CO2. Outre l’introduction générale (Chapitre 1) et les conclusions (Chapitre 6), cette thèse comporte 4 autres chapitres, au long des quels cinq différentes études sont présentées sous forme d’articles scientifiques qui ont été acceptés à des fins de publication dans différentes revues scientifiques. Chaque chapitre débute par sa propre introduction, qui consiste en une description plus détaillée du contexte motivant le(s) manuscrit(s) associé(s) et un bref résumé des résultats transmis. Un compte rendu détaillé des méthodes et des résultats peut être trouvé dans le(s) dit(s) manuscrit(s). Dans l’étude qui compose le Chapitre 2, je compare la sensibilité des deux techniques ASL de pointe et je démontre que la dernière implémentation de l’ASL continue, la pCASL, offre des mesures plus robustes de la RVC en comparaison à d’autres méthodes pulsés plus âgées. Dans le Chapitre 3, je compare les mesures de la RVC obtenues par pCASL avec l’utilisation de quatre méthodes respiratoires différentes pour manipuler le CO2 artérielle (PaCO2) et je démontre que les résultats peuvent varier de manière significative lorsque les manipulations ne sont pas conçues pour fonctionner dans l’intervalle linéaire de la courbe dose-réponse du CO2. Le Chapitre 4 comprend deux études complémentaires visant à déterminer le niveau de reproductibilité qui peut être obtenu en utilisant des méthodes plus récentes pour la mesure de la RVC. La première étude a abouti à la mise au point technique d’un appareil qui permet des manipulations respiratoires du CO2 de manière simple, sécuritaire et robuste. La méthode respiratoire améliorée a été utilisée dans la seconde étude – de neuro-imagerie – où la sensibilité et la reproductibilité de la RVC, mesurée par pCASL, ont été examinées. La technique d’imagerie pCASL a pu détecter des réponses de perfusion induites par la variation du CO2 dans environ 90% du cortex cérébral humain et la reproductibilité de ces mesures était comparable à celle d’autres mesures hémodynamiques déjà adoptées dans la pratique clinique. Enfin, dans le Chapitre 5, je présente un modèle mathématique qui décrit la RVC en termes de changements du PaCO2 liés à l’osmolarité du sang. Les réponses prédites par ce modèle correspondent étroitement aux changements hémodynamiques mesurés avec pCASL ; suggérant une contribution supplémentaire à la réactivité du système vasculaire cérébral en lien avec le CO2.

Studies on nonlinear dynamics of certain reaction systems

The nonlinear dynamics of certain important reaction systems are discussed and analysed in this thesis. The interest in the theoretical and the experimental studies of chemical reactions showing oscillatory dynamics and associated properties is increasing very rapidly. An attempt is made to study some nonlinear phenomena exhibited by the well known chemical oscillator, the BelousovZhabotinskii reaction whose mathematical properties are much in common with the properties of biological oscillators. While extremely complex, this reaction is still much simpler than biological systems at least from the modelling point of view. A suitable model [19] for the system is analysed and the researcher has studied the limit cycle behaviour of the system, for different values of the stoichiometric parameter f, by keeping the value of the reaction rate (k6) fixed at k6 = l. The more complicated three-variable model is stiff in nature.

Doctors´ remuneration schemes and hospital competition in two-sided markets with common network externalities

This paper uses a two-sided market model of hospital competition to study the implications of di§erent remunerations schemes on the physiciansí side. The two-sided market approach is characterized by the concept of common network externality (CNE) introduced by Bardey et al. (2010). This type of externality occurs when occurs when both sides value, possibly with di§erent intensities, the same network externality. We explicitly introduce e§ort exerted by doctors. By increasing the number of medical acts (which involves a costly e§ort) the doctor can increase the quality of service o§ered to patients (over and above the level implied by the CNE). We Örst consider pure salary, capitation or fee-for-service schemes. Then, we study schemes that mix fee-for-service with either salary or capitation payments. We show that salary schemes (either pure or in combination with fee-for-service) are more patient friendly than (pure or mixed) capitations schemes. This comparison is exactly reversed on the providersíside. Quite surprisingly, patients always loose when a fee-for-service scheme is introduced (pure of mixed). This is true even though the fee-for-service is the only way to induce the providers to exert e§ort and it holds whatever the patientsívaluation of this e§ort. In other words, the increase in quality brought about by the fee-for-service is more than compensated by the increase in fees faced by patients.

Modelling European winter wind storm losses in current and future climate

Severe wind storms are one of the major natural hazards in the extratropics and inflict substantial economic damages and even casualties. Insured storm-related losses depend on (i) the frequency, nature and dynamics of storms, (ii) the vulnerability of the values at risk, (iii) the geographical distribution of these values, and (iv) the particular conditions of the risk transfer. It is thus of great importance to assess the impact of climate change on future storm losses. To this end, the current study employs—to our knowledge for the first time—a coupled approach, using output from high-resolution regional climate model scenarios for the European sector to drive an operational insurance loss model. An ensemble of coupled climate-damage scenarios is used to provide an estimate of the inherent uncertainties. Output of two state-of-the-art global climate models (HadAM3, ECHAM5) is used for present (1961–1990) and future climates (2071–2100, SRES A2 scenario). These serve as boundary data for two nested regional climate models with a sophisticated gust parametrizations (CLM, CHRM). For validation and calibration purposes, an additional simulation is undertaken with the CHRM driven by the ERA40 reanalysis. The operational insurance model (Swiss Re) uses a European-wide damage function, an average vulnerability curve for all risk types, and contains the actual value distribution of a complete European market portfolio. The coupling between climate and damage models is based on daily maxima of 10 m gust winds, and the strategy adopted consists of three main steps: (i) development and application of a pragmatic selection criterion to retrieve significant storm events, (ii) generation of a probabilistic event set using a Monte-Carlo approach in the hazard module of the insurance model, and (iii) calibration of the simulated annual expected losses with a historic loss data base. The climate models considered agree regarding an increase in the intensity of extreme storms in a band across central Europe (stretching from southern UK and northern France to Denmark, northern Germany into eastern Europe). This effect increases with event strength, and rare storms show the largest climate change sensitivity, but are also beset with the largest uncertainties. Wind gusts decrease over northern Scandinavia and Southern Europe. Highest intra-ensemble variability is simulated for Ireland, the UK, the Mediterranean, and parts of Eastern Europe. The resulting changes on European-wide losses over the 110-year period are positive for all layers and all model runs considered and amount to 44% (annual expected loss), 23% (10 years loss), 50% (30 years loss), and 104% (100 years loss). There is a disproportionate increase in losses for rare high-impact events. The changes result from increases in both severity and frequency of wind gusts. Considerable geographical variability of the expected losses exists, with Denmark and Germany experiencing the largest loss increases (116% and 114%, respectively). All countries considered except for Ireland (−22%) experience some loss increases. Some ramifications of these results for the socio-economic sector are discussed, and future avenues for research are highlighted. The technique introduced in this study and its application to realistic market portfolios offer exciting prospects for future research on the impact of climate change that is relevant for policy makers, scientists and economists.

A comparison of diatom phosphorus transfer functions and export coefficient models as tools for reconstructing lake nutrient histories

1. We compared the baseline phosphorus (P) concentrations inferred by diatom-P transfer functions and export coefficient models at 62 lakes in Great Britain to assess whether the techniques produce similar estimates of historical nutrient status. 2. There was a strong linear relationship between the two sets of values over the whole total P (TP) gradient (2-200 mu g TP L-1). However, a systematic bias was observed with the diatom model producing the higher values in 46 lakes (of which values differed by more than 10 mu g TP L-1 in 21). The export coefficient model gave the higher values in 10 lakes (of which the values differed by more than 10 mu g TP L-1 in only 4). 3. The difference between baseline and present-day TP concentrations was calculated to compare the extent of eutrophication inferred by the two sets of model output. There was generally poor agreement between the amounts of change estimated by the two approaches. The discrepancy in both the baseline values and the degree of change inferred by the models was greatest in the shallow and more productive sites. 4. Both approaches were applied to two lakes in the English Lake District where long-term P data exist, to assess how well the models track measured P concentrations since approximately 1850. There was good agreement between the pre-enrichment TP concentrations generated by the models. The diatom model paralleled the steeper rise in maximum soluble reactive P (SRP) more closely than the gradual increase in annual mean TP in both lakes. The export coefficient model produced a closer fit to observed annual mean TP concentrations for both sites, tracking the changes in total external nutrient loading. 5. A combined approach is recommended, with the diatom model employed to reflect the nature and timing of the in-lake response to changes in nutrient loading, and the export coefficient model used to establish the origins and extent of changes in the external load and to assess potential reduction in loading under different management scenarios. 6. However, caution must be exercised when applying these models to shallow lakes where the export coefficient model TP estimate will not include internal P loading from lake sediments and where the diatom TP inferences may over-estimate TP concentrations because of the high abundance of benthic taxa, many of which are poor indicators of trophic state.