In silico constraint-based strain optimization methods: the quest for optimal cell factories

Shifting from chemical to biotechnological processes is one of the cornerstones of 21st century industry. The production of a great range of chemicals via biotechnological means is a key challenge on the way toward a bio-based economy. However, this shift is occurring at a pace slower than initially expected. The development of efficient cell factories that allow for competitive production yields is of paramount importance for this leap to happen. Constraint-based models of metabolism, together with in silico strain design algorithms, promise to reveal insights into the best genetic design strategies, a step further toward achieving that goal. In this work, a thorough analysis of the main in silico constraint-based strain design strategies and algorithms is presented, their application in real-world case studies is analyzed, and a path for the future is discussed.

Towards "green" smart materials for force and strain sensors: The case of polyaniline

Stress/strain sensors constitute a class of devices with a global ever-growing market thanks to their use in many fields of modern life. They are typically constituted by thin metal foils deposited on flexible supports. However, the low inherent resistivity and limited flexibility of their constituents make them inadequate for several applications, such as measuring large movements in robotic systems and biological tissues. As an alternative to the traditional compounds, in the present work we will show the advantages to employ a smart material, polyaniline (PANI), prepared by an innovative environmentally friendly route, for force/strain sensor applications wherein simple processing, environmental friendliness and sensitivity are particularly required.

Strain induced edge magnetism at zigzag edge of a graphene quantum dot

We study the temperature dependent magnetic susceptibility of a strained graphene quantum dot by using the determinant quantum Monte Carlo method. Within the Hubbard model on a honeycomb lattice, our unbiased numerical results show that a relative small interaction $U$ may lead to a edge ferromagnetic like behavior in the strained graphene quantum dot, and a possible room temperature transition is suggested. Around half filling, the ferromagnetic fluctuations at the zigzag edge is strengthened both markedly by the on-site Coulomb interaction and the strain, especially in low temperature region. The resultant strongly enhanced ferromagnetic like behavior may be important for the development of many applications.

Implementation and validation of a strain rate dependent anisotropic continuum model for masonry

A newly developed strain rate dependent anisotropic continuum model is proposed for impact and blast applications in masonry. The present model adopted the usual approach of considering different yield criteria in tension and compression. The analysis of unreinforced block work masonry walls subjected to impact is carried out to validate the capability of the model. Comparison of the numerical predictions and test data revealed good agreement. Next, a parametric study is conducted to evaluate the influence of the tensile strengths along the three orthogonal directions and of the wall thickness on the global behavior of masonry walls.

Dynamic interface model for masonry walls subjected to high strain rate out-of-plane loads

The present study proposes a dynamic constitutive material interface model that includes non-associated flow rule and high strain rate effects, implemented in the finite element code ABAQUS as a user subroutine. First, the model capability is validated with numerical simulations of unreinforced block work masonry walls subjected to low velocity impact. The results obtained are compared with field test data and good agreement is found. Subsequently, a comprehensive parametric analysis is accomplished with different joint tensile strengths and cohesion, and wall thickness to evaluate the effect of the parameter variations on the impact response of masonry walls.

Flexible gastrointestinal motility pressure sensors based on aluminum thin-film strain-gauge arrays

This paper reports on an innovative approach to measuring intraluminal pressure in the upper gastrointestinal (GI) tract, especially monitoring GI motility and peristaltic movements. The proposed approach relies on thin-film aluminum strain gauges deposited on top of a Kapton membrane, which in turn lies on top of an SU-8 diaphragm-like structure. This structure enables the Kapton membrane to bend when pressure is applied, thereby affecting the strain gauges and effectively changing their electrical resistance. The sensor, with an area of 3.4 mm2, is fabricated using photolithography and standard microfabrication techniques (wet etching). It features a linear response (R2 = 0.9987) and an overall sensitivity of 2.6 mV mmHg−1. Additionally, its topology allows a high integration capability. The strain gauges’ responses to pressure were studied and the fabrication process optimized to achieve high sensitivity, linearity, and reproducibility. The sequential acquisition of the different signals is carried out by a microcontroller, with a 10-bit ADC and a sample rate of 250 Hz. The pressure signals are then presented in a user-friendly interface, developed using the Integrated Development Environment software, QtCreator IDE, for better visualization by physicians.

Development of multifunctional coatings deposited on polymers based sensors for biomedical applications

Tese de Doutoramento (Programa Doutoral em Engenharia de Materiais)

Citric acid production by Y. lipolytica W29 from crude glycerol: strain improvement by mutagenesis

[Excerpt] Citric acid, an important and versatile organic acid extensively used in several industries, is originally produced by Aspergillus niger in submerged fermentation from molasses [1]. However, Yarrowia lipolytica have been studied and demonstrate a great potential as citric acid producer from several carbon sources [1–5] including crude glycerol, a low cost byproduct from the biodiesel industry [6]. The simultaneous production of the isomer isocitric acid is the major problem in using this yeast in the citric acid production. (...)

Proteomic analysis of nitrate-dependent acetone degradation by Alicycliphilus denitrificans strain BC

Alicycliphilus denitrificans strain BC grows anaerobically on acetone with nitrate as electron acceptor. Comparative proteomics of cultures of A. denitrificans strain BC grown on either acetone or acetate with nitrate was performed to study the enzymes involved in the acetone degradation pathway. In the proposed acetone degradation pathway, an acetone carboxylase converts acetone to acetoacetate, an AMP-dependent synthetase/ligase converts acetoacetate to acetoacetyl-CoA, and an acetyl-CoA acetyltransferase cleaves acetoacetyl-CoA to two acetyl-CoA. We also found a putative aldehyde dehydrogenase associated with acetone degradation. This enzyme functioned as a -hydroxybutyrate dehydrogenase catalyzing the conversion of surplus acetoacetate to -hydroxybutyrate that may be converted to the energy and carbon storage compound, poly--hydroxybutyrate. Accordingly, we confirmed the formation of poly-?-hydroxybutyrate in acetone-grown cells of strain BC. Our findings provide insight in nitrate-dependent acetone degradation that is activated by carboxylation of acetone. This will aid studies of similar pathways found in other microorganisms degrading acetone with nitrate or sulfate as electron acceptor.

New integrative computational approaches unveil the Saccharomyces cerevisiae pheno-metabolomic fermentative profile and allow strain selection for winemaking

During must fermentation by Saccharomyces cerevisiae strains thousands of volatile aroma compounds are formed. The objective of the present work was to adapt computational approaches to analyze pheno-metabolomic diversity of a S. cerevisiae strain collection with different origins. Phenotypic and genetic characterization together with individual must fermentations were performed, and metabolites relevant to aromatic profiles were determined. Experimental results were projected onto a common coordinates system, revealing 17 statistical-relevant multi-dimensional modules, combining sets of most-correlated features of noteworthy biological importance. The present method allowed, as a breakthrough, to combine genetic, phenotypic and metabolomic data, which has not been possible so far due to difficulties in comparing different types of data. Therefore, the proposed computational approach revealed as successful to shed light into the holistic characterization of S. cerevisiae pheno-metabolome in must fermentative conditions. This will allow the identification of combined relevant features with application in selection of good winemaking strains.

Avaliação da contratilidade segmentar na doença de Chagas utilizando a integral do gradiente intramiocárdico de velocidade (strain miocárdico) obtida pela ecocardiografia com Doppler tecidual

OBJETIVO: Quantificar o percentual de contratilidade dos diversos segmentos miocárdicos, em portadores de doença de Chagas, através da medida do strain miocárdico e verificar diferenças na função contrátil radial e longitudinal ventricular entre as formas indeterminada e dilatada da miocardiopatia chagásica crônica quando comparadas a um grupo de indivíduos normais. MÉTODOS: Foram estudados 39 indivíduos, 20 (51,3%) do sexo masculino divididos em quatro grupos: Nl: 17 (43,6%) indivíduos normais; Ind: 7 (17,9%) portadores de doença de Chagas forma indeterminada; C1, 7 (17,9%) portadores de doença de Chagas forma crônica com fração de ejeção < 50% e C2: 8 (20,5%) portadores de doença de Chagas forma crônica com fração de ejeção > 50%. Após realização de ecocardiograma basal foram registradas as imagem em Doppler tecidual para a medida do strain miocárdico nos diversos segmentos aos cortes paraesternais, longitudinal e transversal, e apicais, de duas e quatro câmaras. RESULTADOS E CONCLUSÃO: O percentual de contração dos diversos segmentos miocárdicos, tanto em seu componente radial quanto longitudinal é maior nos indivíduos normais do que em portadores da forma crônica da doença de Chagas e naqueles com a forma indeterminada da doença quando comparado com chagásicos crônicos com FE < 50%. A contratilidade radial do ventrículo esquerdo é maior que a longitudinal nos três grupos (Nl, Ind e Crônico). Os dados apresentados nos permitem propor um caráter progressivo do acometimento miocárdico em portadores da doença de Chagas.

Caracterización genética de la cepa Sinorhizobium meliloti 3DOh13 y evaluación de la capacidad fijadora de nitrógeno en alfalfa. Genetic characterization of the strain Sinorhizobium meliloti 3DOh13 and assessment of the capacity to fix nitrogen in alfalfa.

La provincia de Córdoba participa con aproximadamente el 23 por ciento del área total sembrada anualmente con alfalfa en nuestro país y, en los últimos años, se ha incrementado levemente, en contraste con las provincias de Buenos Aires, Santa Fe y Entre Ríos, donde ha decrecido. La inoculación de este cultivo con cepas del género Sinorhizobium ha permitido mejorar su rendimiento en los suelos de la región semiárida. La utilización para la siembra de semillas preinoculadas con microorganismos de origen extranjero, cuya eficiencia y adaptación a las condiciones locales no siempre se conocen, y con escasa capacidad de competencia ante las cepas naturalizadas, trae como consecuencia un bajo establecimiento de la nodulación y por consiguiente una escasa reposición del nitrógeno removido del suelo. Aún cuando la inoculación está relativamente difundida, en la actualidad no se ha determinado la proporción relativa de nitrógeno fijado por las cepas introducidas respecto de las nativas o naturalizadas, ni la competencia que se genera en el suelo por la ocupación de los sitios potenciales para la formación de nódulos. Nuestra hipótesis de trabajo es: "la inoculación con cepas de Sinorhizobium meliloti debidamente caracterizadas y eficientes en la fijación del nitrógeno atmosférico mejorará el rendimiento de alfalfa en la región centro-sur de Córdoba". Los objetivos de este estudio son caracterizar fenotípica y genotípica el aislamiento Sinorhizobium meliloti 3DOh13 y evaluar su eficiencia simbiótica en el cultivo de alfalfa, mediante ensayos de infectividad, eficiencia y competencia con cepas nativas. La evaluación de la infectividad de la cepa comprende estudios de cinética de la nodulación, número total de nódulos y ubicación de los mismos en experiencias donde las plantas crecen en condiciones de invernáculo sobre un soporte de tierra:arena:perlita (2:1:1). Se realizarán ensayos de competitividad, coinoculando semillas con la cepa DOh13 y otras nativas, en bolsas plásticas con medio mineral en los que se desafiarán los distintos aislamientos. Se inoculan las plantas con sólo dos aislamientos y los nódulos de la raíz principal serán extraídos a fin de aislar los microorganismos ocupantes, los que serán diferenciados por marca de resistencia a antibioticos. La eficiencia en la fijación de nitrógeno será cuantificada por las técnicas de reducción del acetileno en el nódulo y, en caso de ser necesario, se usará el método de Kjeldahl (N total) para la raíz, tejido aéreo o planta entera. La caracterización genotípica de S. meliloti 3DOh13 incluirá métodos de fingerprint de ADN por técnicas de PCR y secuenciamiento del ADNr 16S. Esta investigación permitirá obtener información precisa sobre la respuesta de alfalfa a la inoculación con la cepa de referencia. El producto que se espera obtener es un nuevo inoculante, formulado con una cepa efectiva en la fijación de nitrógeno, debidamente caracterizada y con probada capacidad de adaptación a los suelos de la región

Análisis molecular del virus sincitial respiratorio bovino cepa RC-98 aislado en Argentina. Molecular analisis of bovine respiratory syncytial virus RC-98 strain isolated in Argentina.

En la provincia de Córdoba, estudios serológicos demostraron una alta tasa de infección para el Virus Sincitial Respiratorio Bovino (VSRB). Paralelamente nuestro grupo de investigación aisló por primera vez en Argentina el VSRB (cepa RC-98) dando un paso importante en el reconocimiento de esta enfermedad. En los últimos años se ha incrementado la importancia de este agente debido a la intensificación de los sistemas ganaderos, impulsados y desplazados por la agriculturización. La detección viral en muestras clínicas aún es pobre por inadecuadas técnicas de laboratorio. Por estas razones es necesario optimizar otro método diagnóstico utilizado mundialmente, no desarrollado en nuestro país hasta el presente. Con el advenimiento de la biología molecular se introducen nuevas técnicas como la RT-PCR para el diagnóstico rápido del VSRB, siendo más sensible y específica que el ensayo de ELISA, Inmunofluorescencia, Inmunoperoxidasa y aislamiento viral, además permite detectar la eliminación viral por un período más prolongado en muestras clínicas. La glicoproteína G (Gp G) del VSRB es la proteína menos conservada entre los aislamientos de VSRB y es la que presenta la mayor variabilidad, tanto antigénica como genética. Por secuenciamiento de la Gp G se propusieron seis subgrupos genéticos. La importancia de esta glicoproteína esta representada en el rol que desempeña en la respuesta inmune. La generación de anticuerpos frente a esta es capaz de neutralizar la infección viral. La hipótesis de trabajo se basa en que pueden existir diferencias genómicas importantes de la cepa autóctona, respecto a cepas bovinas de referencia internacional. Se plantean como objetivos conocer las características moleculares (genómicas) de la Gp G de la cepa RC-98 para el futuro desarrollo de inmunógenos y estandarizar una técnica diagnóstica que complemente y enriquezca el diagnóstico de este virus. Se utilizará la cepa RC-98 la cuál se propagará en células MDBK. Para desarrollar la técnica de RT-PCR se extraerá el ARN viral con un kit comercial, a partir del mismo se obtendrá el ADNc y para la PCR se utilizarán 2 juegos de primers que amplifiquen un fragmento del gen de la Gp G. Una vez estandarizada la técnica se trabajará con muestras clínicas, hisopados nasales, lavados broncoalveolares y muestras pulmonares de animales necroipsiados. Al finalizar la investigación se espera conocer las características genómicas de la cepa RC-98. Se contará con una nueva herramienta diagnóstica para la detección rápida y sensible del VSRB. La misma será transferida a laboratorios de diagnostico. Adicionalmente se contará con el secuenciamiento de la Gp G, lo cuál permitirá clasificar la cepa en estudio dentro de los subgrupos genéticos. Este proyecto pretende sentar bases para investigaciones futuras ya que la técnica de PCR posibilita una nueva aproximación al estudio de la patogénesis de la infección viral y permite estudiar la epidemiología molecular de los aislamientos de campo.

Strain bidimensional na cardiopatia de Takotsubo

Este relato apresenta o seguimento tardio de um caso de cardiomiopatia de Takotsubo com boa evolução clínica e melhora da função sistólica global ventricular esquerda. Contudo, observou-se persistência de significativa disfunção sistólica regional longitudinal que foi avaliada por meio de nova técnica ecocardiográfica (speckle tracking), com as medidas do strain (S) e strain rate (SR) correspondentes. Ressaltamos a importância desse novo método para o acompanhamento dessa cardiopatia, pois permite identificar os pacientes que persistem com disfunção sistólica e que possivelmente serão beneficiados com a manutenção da terapêutica clínica.

Síndrome Metabólica, Strain e Redução da Função Miocárdica: Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis

Fundamento: A doença cardiovascular subclínica é prevalente em pacientes com síndrome metabólica (SM). O strain circunferencial (εCC) e o strain longitudinal (εLL) do ventriculo esquerdo (VE), avaliados pelo ecocardiograma com speckle tracking (STE), são índices de função sistólica: o encurtamento das fibras circunferenciais e longitudinais do VE é indicado por um valor negativo do strain. Portanto, quanto mais negativo o strain, melhor a função sistólica do VE. O εCC e o εLL têm sido usados para demonstrar disfunção ventricular subclínica em vários distúrbios clínicos. Objetivo: Levantamos a hipótese de que a SM está associada com comprometimento da função miocárdica, quando avaliada pelo STE. Métodos: Este estudo analisou participantes do Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis (MESA) que realizaram o STE e foram avaliados para todos os componentes da SM. Resultados: Entre os 133 participantes incluídos (mulheres: 63%; idade: 65 ± 9 anos), a prevalência de SM foi de 31% (41/133). Indivíduos com SM apresentaram valores menores do εCC e do εLL que aqueles sem SM (-16,3% ± 3,5% vs. -18,4% ± 3,7%, p < 0,01; e -12,1% ± 2,5% vs. -13,9% ± 2,3%, p < 0,01, respectivamente). A fração de ejeção do VE (FEVE) foi semelhante nos dois grupos (p = 0,09). Na análise multivariada, a SM associou-se a um valor mais baixo do strain circunferencial (B = 2,1%, IC 95%: 0,6-3,5; p < 0,01), mesmo após ajuste para idade, etnia, massa VE e FEVE. De maneira semelhante, a presença de SM (B = 1,3%, IC 95%: 0,3-2,2; p < 0,01) e a massa do VE (B = 0,02%, IC 95%: 0,01 0,03; p = 0,02) associaram-se a um valor menor do strain longitudinal após ajuste para etnia, FEVE e creatinina. Conclusão: O εCC e o εLL do VE, marcadores de doença cardiovascular subclínica, estão comprometidos em indivíduos assintomáticos com SM e sem história prévia de infarto miocárdico, insuficiência cardíaca e/ou de FEVE < 50%.