Restarting automata with restricted utilization of auxiliary symbols

The restarting automaton is a restricted model of computation that was introduced by Jancar et al. to model the so-called analysis by reduction, which is a technique used in linguistics to analyze sentences of natural languages. The most general models of restarting automata make use of auxiliary symbols in their rewrite operations, although this ability does not directly correspond to any aspect of the analysis by reduction. Here we put restrictions on the way in which restarting automata use auxiliary symbols, and we investigate the influence of these restrictions on their expressive power. In fact, we consider two types of restrictions. First, we consider the number of auxiliary symbols in the tape alphabet of a restarting automaton as a measure of its descriptional complexity. Secondly, we consider the number of occurrences of auxiliary symbols on the tape as a dynamic complexity measure. We establish some lower and upper bounds with respect to these complexity measures concerning the ability of restarting automata to recognize the (deterministic) context-free languages and some of their subclasses.

Shrinking restarting automata

Restarting automata are a restricted model of computation that was introduced by Jancar et.al. to model the so-called analysis by reduction. A computation of a restarting automaton consists of a sequence of cycles such that in each cycle the automaton performs exactly one rewrite step, which replaces a small part of the tape content by another, even shorter word. Thus, each language accepted by a restarting automaton belongs to the complexity class $CSL cap NP$. Here we consider a natural generalization of this model, called shrinking restarting automaton, where we do no longer insist on the requirement that each rewrite step decreases the length of the tape content. Instead we require that there exists a weight function such that each rewrite step decreases the weight of the tape content with respect to that function. The language accepted by such an automaton still belongs to the complexity class $CSL cap NP$. While it is still unknown whether the two most general types of one-way restarting automata, the RWW-automaton and the RRWW-automaton, differ in their expressive power, we will see that the classes of languages accepted by the shrinking RWW-automaton and the shrinking RRWW-automaton coincide. As a consequence of our proof, it turns out that there exists a reduction by morphisms from the language class $cL(RRWW)$ to the class $cL(RWW)$. Further, we will see that the shrinking restarting automaton is a rather robust model of computation. Finally, we will relate shrinking RRWW-automata to finite-change automata. This will lead to some new insights into the relationships between the classes of languages characterized by (shrinking) restarting automata and some well-known time and space complexity classes.

Characterization of the role of Drosophila JAK/STAT signalling in cellular proliferation

Der Janus Kinase / signal transducer and activator of transcription (JAK/STAT) Signal- transduktionsweg wird für viele Entwicklungsvorgänge benötigt und spielt eine zentrale Rolle bei der Hämatopoese und bei der Immunantwort. Obwohl der JAK/STAT-Signalweg in den vergangenen Jahren Gegenstand intensiver Forschung war, erschwert die Redundanz des Signalwegs bei Wirbeltieren genetische Untersuchungen zur Identifizierung derjenigen Mechanismen, die den JAK/STAT-Signalweg regulieren. Der JAK/STAT-Signaltransduktionsweg ist evolutionär konserviert und ebenfalls bei der Taufliege Drosophila melanogaster vorhanden. Im Gegensatz zu Wirbeltieren ist der Signaltransduktionsweg von Drosophila weniger redundant und beinhaltet folgende Hauptkomponenten: den Liganden Unpaired (Upd), den Transmembranrezeptor Domeless (Dome), die einzige JAK-Tyrosinkinase Hopscotch (hop), sowie den Transkriptionsfaktor STAT92E. In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle des JAK/STAT-Signalwegs bei der zellulären Proliferation mithilfe der Modellsysteme der Flügel- und der Augen-Imaginalscheiben von Drosophila charakterisiert. "Loss-of-function"- und "Gain-of-function"-Experimente zur Verminderung beziehungs-weise Erhöhung der Signalaktivität zeigten, dass der JAK/STAT-Signalweg eine Rolle bei der zellulären Proliferation der Flügel-Imaginalscheiben spielte, ohne die Zellgröße oder Apoptose zu verändern. Bei der Flügelentwicklung während des zweiten und des frühen dritten Larvalstadiums war die Aktivität des JAK/STAT-Signalwegs sowohl notwendig für die zelluläre Proliferation als auch hinreichend, um Überproliferation anzutreiben. Allerdings änderte sich während der späten dritten Larvalstadien die JAK/STAT-Signalaktivität, sodass endogene STAT92E-Mengen einen anti-proliferativen Effekt im gleichen Gewebe aufwiesen. Weiterhin reichte die ektopische Aktivierung des JAK/STAT-Signalwegs zu diesem späten Entwicklungszeitpunkt aus, um die Mitose zu inhibieren und die Zellen in der Phase G2 des Zellzyklus zu arretieren. Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass der JAK/STAT-Signalweg sowohl pro-proliferativ in frühen Flügelscheiben als auch anti-proliferativ zu späten Stadien der Flügelscheiben-Entwicklung wirken kann. Dieser späte anti-proliferative Effekt wurde durch einen nicht-kanonischen Mechanismus der STAT92E-Aktivierung vermittelt, da späte hop defiziente Zellverbände im Vergleich zu Wildtyp-Zellen keine Veränderungen im Ausmaß der zellulären Proliferation aufwiesen. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine während der Larvalstadien exprimierte dominant-negative und im N-Terminus deletierte Form von STAT92E (?NSTAT92E) nicht für den anti-proliferativen Effekt verantwortlich ist. Diese Tatsache ist ein weiteres Indiz dafür, dass das vollständige STAT92E den späten anti-proliferativen Effekt verursacht. Um Modulatoren für die von JAK/STAT vermittelte zelluläre Proliferation zu identifieren, wurde ein P-Element-basierter genetischer Interaktions-Screen in einem sensibilisierten genetischen Hintergrund durchgeführt. Insgesamt wurden dazu 2267 unabhängige P-Element-Insertionen auf ihre Wechselwirkung mit der JAK/STAT-Signalaktivität untersucht und 24 interagierende Loci identifiziert. Diese Kandidaten können in folgende Gruppen eingeordnet werden: Zellzyklusproteine, Transkriptionsfaktoren, DNA und RNA bindende Proteine, ein Mikro-RNA-Gen, Komponenten anderer Signaltransduktionswege und Zelladhäsionsproteine. In den meisten Fällen wurden mehrere Allele der interagierenden Kandidatengene getestet. 18 Kandidatengene mit übereinstimmend interagierenden Allelen wurden dann zur weiteren Analyse ausgewählt. Von diesen 18 Kandidaten-Loci wurden 7 mögliche JAK/STAT-Signalwegskomponenten und 6 neue Zielgene des Signalwegs gefunden. Zusammenfassend wurde das Verständnis um STAT92E verbessert. Dieses Protein hat die gleiche Funktion wie das STAT3-Protein der Wirbeltiere und treibt die zelluläre Proliferation voran. Analog zu STAT1 hat STAT92E aber auch einen anti-proliferativen Effekt. Ferner wurden 24 mögliche Modulatoren der JAK/STAT-Signalaktivität identifiziert. Die Charakterisierung dieser Wechselwirkungen eröffnet vielversprechende Wege zu dem Verständnis, wie JAK/STAT die zelluläre Proliferation reguliert und könnte bei der Entwicklung von neuartigen therapeutischen Targets zur Behandlung von Krebskrankheiten und Entwicklungsstörungen beitragen.

Systems of Parallel Communicating Restarting Automata

In der vorliegenden Dissertation werden Systeme von parallel arbeitenden und miteinander kommunizierenden Restart-Automaten (engl.: systems of parallel communicating restarting automata; abgekürzt PCRA-Systeme) vorgestellt und untersucht. Dabei werden zwei bekannte Konzepte aus den Bereichen Formale Sprachen und Automatentheorie miteinander vescrknüpft: das Modell der Restart-Automaten und die sogenannten PC-Systeme (systems of parallel communicating components). Ein PCRA-System besteht aus endlich vielen Restart-Automaten, welche einerseits parallel und unabhängig voneinander lokale Berechnungen durchführen und andererseits miteinander kommunizieren dürfen. Die Kommunikation erfolgt dabei durch ein festgelegtes Kommunikationsprotokoll, das mithilfe von speziellen Kommunikationszuständen realisiert wird. Ein wesentliches Merkmal hinsichtlich der Kommunikationsstruktur in Systemen von miteinander kooperierenden Komponenten ist, ob die Kommunikation zentralisiert oder nichtzentralisiert erfolgt. Während in einer nichtzentralisierten Kommunikationsstruktur jede Komponente mit jeder anderen Komponente kommunizieren darf, findet jegliche Kommunikation innerhalb einer zentralisierten Kommunikationsstruktur ausschließlich mit einer ausgewählten Master-Komponente statt. Eines der wichtigsten Resultate dieser Arbeit zeigt, dass zentralisierte Systeme und nichtzentralisierte Systeme die gleiche Berechnungsstärke besitzen (das ist im Allgemeinen bei PC-Systemen nicht so). Darüber hinaus bewirkt auch die Verwendung von Multicast- oder Broadcast-Kommunikationsansätzen neben Punkt-zu-Punkt-Kommunikationen keine Erhöhung der Berechnungsstärke. Desweiteren wird die Ausdrucksstärke von PCRA-Systemen untersucht und mit der von PC-Systemen von endlichen Automaten und mit der von Mehrkopfautomaten verglichen. PC-Systeme von endlichen Automaten besitzen bekanntermaßen die gleiche Ausdrucksstärke wie Einwegmehrkopfautomaten und bilden eine untere Schranke für die Ausdrucksstärke von PCRA-Systemen mit Einwegkomponenten. Tatsächlich sind PCRA-Systeme auch dann stärker als PC-Systeme von endlichen Automaten, wenn die Komponenten für sich genommen die gleiche Ausdrucksstärke besitzen, also die regulären Sprachen charakterisieren. Für PCRA-Systeme mit Zweiwegekomponenten werden als untere Schranke die Sprachklassen der Zweiwegemehrkopfautomaten im deterministischen und im nichtdeterministischen Fall gezeigt, welche wiederum den bekannten Komplexitätsklassen L (deterministisch logarithmischer Platz) und NL (nichtdeterministisch logarithmischer Platz) entsprechen. Als obere Schranke wird die Klasse der kontextsensitiven Sprachen gezeigt. Außerdem werden Erweiterungen von Restart-Automaten betrachtet (nonforgetting-Eigenschaft, shrinking-Eigenschaft), welche bei einzelnen Komponenten eine Erhöhung der Berechnungsstärke bewirken, in Systemen jedoch deren Stärke nicht erhöhen. Die von PCRA-Systemen charakterisierten Sprachklassen sind unter diversen Sprachoperationen abgeschlossen und einige Sprachklassen sind sogar abstrakte Sprachfamilien (sogenannte AFL's). Abschließend werden für PCRA-Systeme spezifische Probleme auf ihre Entscheidbarkeit hin untersucht. Es wird gezeigt, dass Leerheit, Universalität, Inklusion, Gleichheit und Endlichkeit bereits für Systeme mit zwei Restart-Automaten des schwächsten Typs nicht semientscheidbar sind. Für das Wortproblem wird gezeigt, dass es im deterministischen Fall in quadratischer Zeit und im nichtdeterministischen Fall in exponentieller Zeit entscheidbar ist.

Relations and Transductions Realized by Restarting Automata

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Analyse verschiedener Formalismen zur Berechnung binärer Wortrelationen. Dabei ist die Grundlage aller hier ausgeführten Betrachtungen das Modell der Restart-Automaten, welches 1995 von Jancar et. al. eingeführt wurde. Zum einen wird das bereits für Restart-Automaten bekannte Konzept der input/output- und proper-Relationen weiterführend untersucht, sowie auf Systeme von zwei parallel arbeitenden und miteinander kommunizierenden Restart-Automaten (PC-Systeme) erweitert. Zum anderen wird eine Variante der Restart-Automaten eingeführt, die sich an klassischen Automatenmodellen zur Berechnung von Relationen orientiert. Mit Hilfe dieser Mechanismen kann gezeigt werden, dass einige Klassen, die durch input/output- und proper-Relationen von Restart Automaten definiert werden, mit den traditionellen Relationsklassen der Rationalen Relationen und der Pushdown-Relationen übereinstimmen. Weiterhin stellt sich heraus, dass das Konzept der parallel kommunizierenden Automaten äußerst mächtig ist, da bereits die Klasse der proper-Relationen von monotonen PC-Systemen alle berechenbaren Relationen umfasst. Der Haupteil der Arbeit beschäftigt sich mit den so genannten Restart-Transducern, welche um eine Ausgabefunktion erweiterte Restart-Automaten sind. Es zeigt sich, dass sich insbesondere dieses Modell mit seinen verschiedenen Erweiterungen und Einschränkungen dazu eignet, eine umfassende Hierarchie von Relationsklassen zu etablieren. In erster Linie seien hier die verschiedenen Typen von monotonen Restart-Transducern erwähnt, mit deren Hilfe viele interessante neue und bekannte Relationsklassen innerhalb der längenbeschränkten Pushdown-Relationen charakterisiert werden. Abschließend wird, im Kontrast zu den vorhergehenden Modellen, das nicht auf Restart-Automaten basierende Konzept des Übersetzens durch Beobachtung ("Transducing by Observing") zur Relationsberechnung eingeführt. Dieser, den Restart-Transducern nicht unähnliche Mechanismus, wird im weitesten Sinne dazu genutzt, einen anderen Blickwinkel auf die von Restart-Transducern definierten Relationen einzunehmen, sowie eine obere Schranke für die Berechnungskraft der Restart-Transducer zu gewinnen.

Revaloració de la fracció cel·lular de la sang de porc procedent d'escorxadors industrials

La sang de porc és un subproducte comestible que es genera als escorxadors industrials durant el procés d'obtenció de la canal. Aquest subproducte es caracteritza per presentar una elevada càrrega contaminant i, degut a l'elevat volum que es genera, és necessari trobar estratègies que permetin la seva revaloració i aprofitament, a la vegada que disminuïm la contaminació ambiental i les despeses que es deriven del seu processament abans de l'abocament. La fracció cel·lular (FC) constitueix el 40 % de la sang de porc i conté principalment l'hemoglobina (Hb), que representa al voltant del 90 % del contingut en proteïna d'aquesta fracció (un 35 % aproximadament). L'elevat percentatge en proteïna i en ferro, i les seves bones propietats funcionals fan que l'aprofitament d'aquest subproducte com a primera matèria o ingredient de la indústria alimentària sigui una alternativa molt útil a l'hora de reduir les despeses de la indústria càrnia, sempre que es resolguin els problemes de l'enfosquiment i dels sabors estranys que pot conferir la FC quan s'addiciona a productes alimentaris. Una altra possible utilització de la FC és aprofitar les propietats colorants de l'Hb o del grup hemo, com a colorant d'origen natural en diversos productes alimentaris. Els objectius del present treball eren, en primer lloc, determinar les millors condicions d'aplicació del procés de conservació de la FC mitjançant la deshidratació per atomització i caracteritzar físico-químicament i microbiològica el concentrat d'Hb en pols. En segon lloc, avaluar l'eficàcia de diferents additius antioxidants i/o segrestants del ferro per prevenir l'enfosquiment que pateix la FC durant la deshidratació. En tercer lloc, aplicar tractaments d'altes pressions hidrostàtiques com a procés d'higienització i avaluar els efectes d'aquest tractament sobre la microbiota contaminant, el color i les propietats funcionals de la FC. Finalment, desenvolupar un procés d'obtenció d'hidrolitzats proteics descolorats a partir de l'Hb amb la finalitat d'utilitzar-los com a ingredients nutricionals i/o funcionals. La millor temperatura de deshidratació per atomització de la FC hemolitzada era 140ºC. La FC en pols presentava un contingut en humitat del 5,3 % i un percentatge de solubilitat proteica del 96 %. La deshidratació per atomització induïa canvis en l'estructura nativa de l'Hb i, per tant, un cert grau de desnaturalització que pot conduir a una disminució de les seves propietats funcionals. L'extracte sec de la FC en pols estava composat per un 94,6 % de proteïna, un 3 % de sals minerals i un 0,7 % de greix. Els valors CIE L*a*b* del color de la FC en pols eren força constants i reflectien el color vermell marró fosc d'aquesta, a causa de l'oxidació del ferro hèmic que es produeix durant la deshidratació. La càrrega contaminant de la FC fresca de la sang de porc era força elevada i el tractament d'hemòlisi amb ultrasons i la centrifugació posterior no produïen una reducció significativa de la microbiota contaminant, obtenint un producte amb uns recomptes microbiològics de l'ordre de 106 ufc·mL-1. La deshidratació per atomització produïa una disminució d'una unitat logarítmica dels recomptes totals de la FC hemolitzada. Tanmateix, el producte en pols encara reflectia l'elevada contaminació de la primera matèria, fet que condiciona negativament la seva utilització com a ingredient alimentari, a no ser que es millorin les condicions de recollida de la sang a l'escorxador o que aquesta o la FC es sotmeti a algun tractament d'higienització prèviament a la deshidratació. Les isotermes de sorció a 20ºC de la FC en pols tenien forma sigmoïdal i una histèresi estreta i llarga. L'equació GAB és un bon model matemàtic per ajustar les dades de sorció obtingudes experimentalment i determinar la isoterma d'adsorció de la FC deshidratada per atomització. El percentatge d'humitat de la FC deshidratada a 140ºC es corresponia a un valor d'aw a 20 ºC d'aproximadament el 0,16. Tenint en compte que estava per sota dels valors d'aw corresponents a la capa monomolecular, es pot garantir la conservació a temperatura ambient del producte, sempre que s'envasi en recipients tancats que no permetin l'entrada d'humitat de l'exterior. De l'estudi de la possible estabilització del color de la FC deshidratada per atomització mitjançant l'addició d'antioxidants i/o segrestants de ferro, es va observar que només l'àcid ascòrbic, la glucosa, l'àcid nicotínic i la nicotinamida, tenien efectes positius sobre el color del producte en pols. L'ascòrbic i la glucosa no milloraven la conservació del color de l'Hb però disminuïen l'enfosquiment que es produeix durant la deshidratació, amb la qual cosa es pot obtenir un producte en pols de color marró més clar. L'addició de dextrina o L-cisteïna no disminuïa l'enfosquiment ni evitava el canvi de color de l'Hb. L'àcid nicotínic i la nicotinamida protegien el color de l'Hb durant el procés de deshidratació i l'emmagatzematge de la FC en pols. Les millors condicions d'aplicació del tractament amb altes pressions hidrostàtiques (HHP) sobre la FC eren 400 MPa, a 20ºC, durant 15 minuts, perquè produïen una millora significativa de la qualitat microbiològica, no afectaven negativament al color, no comprometien gaire la solubilitat proteica l'Hb i, malgrat que produïen un augment de la viscositat, la FC romania fluida després del tractament. Aquest tractament permetia una reducció de la microbiota contaminant de la FC d'entre 2 i 3 unitats logarítmiques. L'aplicació de l'alta pressió i la posterior deshidratació per atomització permetien obtenir un producte en pols amb recomptes totals de l'ordre de 2,8 unitats logarítmiques. El color de la FC pressuritzada en pols era igual que el de la FC control deshidratada, perquè ambdues mostres presentaven la mateixa susceptibilitat a l'oxidació del grup hemo produïda per la deshidratació. L'alta pressió incrementava la susceptibilitat de l'Hb als efectes desnaturalitzants de la deshidratació, fonamentalment a pH 7 (PIE), ja que es va observar una disminució de la solubilitat proteica a pH neutre després dels 2 processos tecnològics. La FC en pols presentava una màxima capacitat escumant al PIE de l'Hb. L'aplicació del tractament HHP produïa una disminució de la capacitat escumant de la FC en pols, però no tenia efectes negatius sobre l'estabilitat de l'escuma formada. Tampoc es van observar efectes negatius del tractament HHP sobre l'activitat emulsionant de l'Hb. La màxima activitat emulsionant de l'Hb s'aconseguia amb una concentració de FC en pols de l'1,5 % a pH 7 i de l'1 % a pH 4,5. Les pastes obtingudes per escalfament de la FC presentaven característiques molt diferenciades depenent del pH. A pH neutre es formaven unes pastes dures i consistents, mentre que a pH àcid les pastes eren poc consistents, molt adhesives i més elàstiques que les anteriors. Aquestes tenien una capacitat de retenció d'aigua molt superior que les de pH 7, en les quals l'aigua quedava retinguda per capil·laritat. La textura i capacitat de retenció d'aigua de les pastes tampoc eren afectades pel tractament HHP. El tractament HHP incrementava l'activitat de la Tripsina sobre l'Hb quan el substrat i l'enzim es tractaven conjuntament i afavoria el procés d'obtenció d'hidrolitzats descolorats a partir de la FC, la qual cosa permetia assolir el mateix grau de descoloració amb una dosi d'enzim inferior. El tractament d'hidròlisi de la FC amb la utilització combinada de Tripsina seguida d'un tractament amb Pepsina permetia l'obtenció d'un hidrolitzat proteic d'Hb descolorat i hidrolitzava completament la globina, donant lloc a 2 pèptids de 10,8 i 7,4 KDa. Val a dir que també produïa un 60 80 % de nitrogen soluble en TCA, constituït fonamentalment per pèptids petits i aminoàcids lliures. Els hidrolitzats trípsics i pèpsics d'Hb, obtinguts a partir de FC no pressuritzada i deshidratats per atomització a 180ºC, eren de color blanc i tenien un contingut en humitat del 4,7 %, un 84,2 % de proteïna i 9,7 % de sals minerals. El procés d'hidròlisi permetia una reducció considerable de la contaminació de la FC, obtenint un producte en pols amb uns recomptes totals de l'ordre de 102-103 ufc·g-1. Pel que fa a la funcionalitat dels hidrolitzats d'Hb deshidratats per atomització, aquests presentaven una elevada solubilitat proteica a pH 5 i 7 i romanien solubles després d'un escalfament a 80ºC durant 30 min. Tanmateix, aquesta hidròlisi afectava molt negativament la capacitat de mantenir escumes estables i l'activitat emulsionant.

L´onconasa com a model per l´estudi de les bases moleculars de la citotoxicitat de les ribonucleases pancreàtiques. Aplicacions a la construcció de ribonucleases amb activitat antimicrobiana

La primera part d'aquest treball s´ha centrat en la caracterització i optimització del procés d'activació de l´onconasa recombinant per tal d'obtenir l´enzim igual a la forma nativa. Per això, les reaccions d'eliminació de la Met-1 i la ciclació de la Glu1, necessàries per generar el piroglutamic han estat seguides per MALDI-TOF MS. La segona part d´aquest treball s´ha centrat en l´estudi de la contribució del pont disulfur 30-75 de l´onconasa a les seves propietats biològiques. Els resultats suggereixen que el potencial redox del citosol cel·lular podria reduir el pont disulfur 30-75 de l´onconasa salvatge afectant la unió onconasa -inhibidor proteic de ribonucleases. La tercera part ha consistit en la construcció de variants de l´HP-RNasa i onconasa amb activitat bactericida. Per això, s´ha introduït el determinant bactericida (YRWR) descrit per la proteïna catiònica d'eosinòfils en els dos enzims. Els resultats obtinguts han evidenciat que les dues ribonucleases amb el determinant bactericida presenten activitat citotòxica contra bacteris gram-negatius preferentment.

Factors governing cellular convection in orographic precipitation

The development of shallow cellular convection in warm orographic clouds is investigated through idealized numerical simulations of moist flow over topography using a cloud-resolving numerical model. Buoyant instability, a necessary element for moist convection, is found to be diagnosed most accurately through analysis of the moist Brunt–Väisälä frequency (N_m) rather than the vertical profile of θ_e. In statically unstable orographic clouds (N_m^2) < 0), additional environmental and terrain-related factors are shown to have major effects on the amount of cellularity that occurs in 2D simulations. One of these factors, the basic-state wind shear, may suppress convection in 2D yet allow for longitudinal convective roll circulations in 3D. The presence of convective structures within an orographic cloud substantially enhanced the maximum rainfall rates, precipitation efficiencies, and precipitation accumulations in all simulations.

From a discrete to a continuum model of cell dynamics in one dimension

Multiscale modeling is emerging as one of the key challenges in mathematical biology. However, the recent rapid increase in the number of modeling methodologies being used to describe cell populations has raised a number of interesting questions. For example, at the cellular scale, how can the appropriate discrete cell-level model be identified in a given context? Additionally, how can the many phenomenological assumptions used in the derivation of models at the continuum scale be related to individual cell behavior? In order to begin to address such questions, we consider a discrete one-dimensional cell-based model in which cells are assumed to interact via linear springs. From the discrete equations of motion, the continuous Rouse [P. E. Rouse, J. Chem. Phys. 21, 1272 (1953)] model is obtained. This formalism readily allows the definition of a cell number density for which a nonlinear "fast" diffusion equation is derived. Excellent agreement is demonstrated between the continuum and discrete models. Subsequently, via the incorporation of cell division, we demonstrate that the derived nonlinear diffusion model is robust to the inclusion of more realistic biological detail. In the limit of stiff springs, where cells can be considered to be incompressible, we show that cell velocity can be directly related to cell production. This assumption is frequently made in the literature but our derivation places limits on its validity. Finally, the model is compared with a model of a similar form recently derived for a different discrete cell-based model and it is shown how the different diffusion coefficients can be understood in terms of the underlying assumptions about cell behavior in the respective discrete models.

Heat shock protein 27 is the major differentially phosphorylated protein involved in renal epithelial cellular stress response and controls focal adhesion organization and apoptosis

We used two-dimensional difference gel electrophoresis to determine early changes in the stress-response pathways that precede focal adhesion disorganization linked to the onset of apoptosis of renal epithelial cells. Treatment of LLC-PK1 cells with the model nephrotoxicant 1,2-(dichlorovinyl)-L-cysteine (DCVC) resulted in a >1.5-fold up- and down-regulation of 14 and 9 proteins, respectively, preceding the onset of apoptosis. Proteins included those involved in metabolism, i.e. aconitase and pyruvate dehydrogenase, and those related to stress responses and cytoskeletal reorganization, i.e. cofilin, Hsp27, and alpha-b-crystallin. The most prominent changes were found for Hsp27, which was related to a pI shift in association with an altered phosphorylation status of serine residue 82. Although both p38 and JNK were activated by DCVC, only inhibition of p38 with SB203580 reduced Hsp27 phosphorylation, which was associated with accelerated reorganization of focal adhesions, cell detachment, and apoptosis. In contrast, inhibition of JNK with SP600125 maintained cell adhesion as well as protection against apoptosis. Active JNK co-localized at focal adhesions after DCVC treatment in a FAK-dependent manner. Inhibition of active JNK localization at focal adhesions did not prevent DCVC-induced phosphorylation of Hsp27. Overexpression of a phosphorylation-defective mutant Hsp27 acted as a dominant negative and accelerated the DCVC-induced changes in the focal adhesions as well as the onset of apoptosis. Our data fit a model whereby early p38 activation results in a rapid phosphorylation of Hsp27, a requirement for proper maintenance of cell adhesion, thus suppressing renal epithelial cell apoptosis.

Heat shock protein 27 is the major differentially phosphorylated protein involved in renal epithelial cellular stress response and controls focal adhesion organization and apoptosis

We used two-dimensional difference gel electrophoresis to determine early changes in the stress-response pathways that precede focal adhesion disorganization linked to the onset of apoptosis of renal epithelial cells. Treatment of LLC-PK1 cells with the model nephrotoxicant 1,2-(dichlorovinyl)-L-cysteine ( DCVC) resulted in a > 1.5-fold up- and down-regulation of 14 and 9 proteins, respectively, preceding the onset of apoptosis. Proteins included those involved in metabolism, i.e. aconitase and pyruvate dehydrogenase, and those related to stress responses and cytoskeletal reorganization, i.e. cofilin, Hsp27, and alpha-b-crystallin. The most prominent changes were found for Hsp27, which was related to a pI shift in association with an altered phosphorylation status of serine residue 82. Although both p38 and JNK were activated by DCVC, only inhibition of p38 with SB203580 reduced Hsp27 phosphorylation, which was associated with accelerated reorganization of focal adhesions, cell detachment, and apoptosis. In contrast, inhibition of JNK with SP600125 maintained cell adhesion as well as protection against apoptosis. Active JNK co-localized at focal adhesions after DCVC treatment in a FAK-dependent manner. Inhibition of active JNK localization at focal adhesions did not prevent DCVC-induced phosphorylation of Hsp27. Overexpression of a phosphorylation-defective mutant Hsp27 acted as a dominant negative and accelerated the DCVC-induced changes in the focal adhesions as well as the onset of apoptosis. Our data fit a model whereby early p38 activation results in a rapid phosphorylation of Hsp27, a requirement for proper maintenance of cell adhesion, thus suppressing renal epithelial cell apoptosis.

Comparing a discrete and continuum model of the intestinal crypt

The integration of processes at different scales is a key problem in the modelling of cell populations. Owing to increased computational resources and the accumulation of data at the cellular and subcellular scales, the use of discrete, cell-level models, which are typically solved using numerical simulations, has become prominent. One of the merits of this approach is that important biological factors, such as cell heterogeneity and noise, can be easily incorporated. However, it can be difficult to efficiently draw generalizations from the simulation results, as, often, many simulation runs are required to investigate model behaviour in typically large parameter spaces. In some cases, discrete cell-level models can be coarse-grained, yielding continuum models whose analysis can lead to the development of insight into the underlying simulations. In this paper we apply such an approach to the case of a discrete model of cell dynamics in the intestinal crypt. An analysis of the resulting continuum model demonstrates that there is a limited region of parameter space within which steady-state (and hence biologically realistic) solutions exist. Continuum model predictions show good agreement with corresponding results from the underlying simulations and experimental data taken from murine intestinal crypts.

Improving a convection-permitting model simulation of a cold air outbreak

A convection-permitting local-area model was used to simulate a cold air outbreak crossing from the Norwegian Sea into the Atlantic Ocean near Scotland. A control model run based on an operational configuration of the Met Office UKV high-resolution (1.5 km grid spacing) NWP model was compared to satellite, aircraft and radar data. While the control model captured the large-scale features of the synoptic situation, it was not able to reproduce the shallow (<1.5 km) stratiform layer to the north of the open cellular convection. Liquid water paths were found to be too low in both the stratiform and convective cloud regions. Sensitivity analyses including a modified boundary-layer diagnosis to generate a more well-mixed boundary layer and inhibition of ice formation to lower temperatures improved cloud morphology and comparisons with observational data. Copyright © 2013 Royal Meteorological Society and British Crown Copyright, the Met Office

A mathematical model of the sterol regulatory element binding protein 2 cholesterol biosynthesis pathway

Cholesterol is one of the key constituents for maintaining the cellular membrane and thus the integrity of the cell itself. In contrast high levels of cholesterol in the blood are known to be a major risk factor in the development of cardiovascular disease. We formulate a deterministic nonlinear ordinary differential equation model of the sterol regulatory element binding protein 2 (SREBP-2) cholesterol genetic regulatory pathway in an hepatocyte. The mathematical model includes a description of genetic transcription by SREBP-2 which is subsequently translated to mRNA leading to the formation of 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase (HMGCR), a main precursor of cholesterol synthesis. Cholesterol synthesis subsequently leads to the regulation of SREBP-2 via a negative feedback formulation. Parameterised with data from the literature, the model is used to understand how SREBP-2 transcription and regulation affects cellular cholesterol concentration. Model stability analysis shows that the only positive steady-state of the system exhibits purely oscillatory, damped oscillatory or monotic behaviour under certain parameter conditions. In light of our findings we postulate how cholesterol homestasis is maintained within the cell and the advantages of our model formulation are discussed with respect to other models of genetic regulation within the literature.

Flood Risk Assessment in Coastal Drainage Basins through a Multivariate Analysis within a GIS-Based Model

This paper presents a GIS-based multicriteria flood risk assessment and mapping approach applied to coastal drainage basins where hydrological data are not available. It involves risk to different types of possible processes: coastal inundation (storm surge), river, estuarine and flash flood, either at urban or natural areas, and fords. Based on the causes of these processes, several environmental indicators were taken to build-up the risk assessment. Geoindicators include geological-geomorphologic proprieties of Quaternary sedimentary units, water table, drainage basin morphometry, coastal dynamics, beach morphodynamics and microclimatic characteristics. Bioindicators involve coastal plain and low slope native vegetation categories and two alteration states. Anthropogenic indicators encompass land use categories properties such as: type, occupation density, urban structure type and occupation consolidation degree. The selected indicators were stored within an expert Geoenvironmental Information System developed for the State of Sao Paulo Coastal Zone (SIIGAL), which attributes were mathematically classified through deterministic approaches, in order to estimate natural susceptibilities (Sn), human-induced susceptibilities (Sa), return period of rain events (Ri), potential damages (Dp) and the risk classification (R), according to the equation R=(Sn.Sa.Ri).Dp. Thematic maps were automatically processed within the SIIGAL, in which automata cells (""geoenvironmental management units"") aggregating geological-geomorphologic and land use/native vegetation categories were the units of classification. The method has been applied to the Northern Littoral of the State of Sao Paulo (Brazil) in 32 small drainage basins, demonstrating to be very useful for coastal zone public politics, civil defense programs and flood management.