Practical applications of quantum molecular similarity measures (QMSM): programs and examples

Es descriu l'aproximació de Capes Atòmiques dins de la teoria de la Semblança Molecular Quàntica. Partint només de dades teòriques, s'ha trobat una relació entre estructura molecular i activitat biològica per a diversos conjunts de molècules. Es descriuen els aspectes teòrics de la Semblança Molecular Quàntica i alguns exemples d'aplicació

A study on the phylogeny and the ecology of ammonia-oxidizing bacteria using a new molecular marker based on the gene amoB

L'agricultura i la industrialització han causat un augment significatiu del nombre d'ambients rics en amoni. La presència de compostos nitrogenats redueix la qualitat de l'aigua, causant problemes de toxicitat, deteriorant el medi ambient i fins i tot afectant la salut humana. En conseqüència, la nitrificació s'ha convertit en un procés global que afecta al cicle del nitrogen a la biosfera. Els bacteris oxidadors d'amoni (AOB) són els responsables de l'oxidació de l'amoni a nitrit, i juguen un paper essencial en el cicle del nitrogen. Els primers oxidadors d'amoni foren aïllats a finals del segle XIX, però la lentitud del seu creixement i les dificultats per cultivar-los feren que fins als anys 80, amb els primers estudis emprant el gen 16SrDNA, no s'assolís un coneixement complert d'aquest grup bacterià. Actualment les bases de dades contenen multitud d'entrades amb seqüències corresponents a AOB. L'objectiu d'aquest treball era trobar, desenvolupar i avaluar eines útils i fiables per a l'estudi dels AOB en mostres ambientals. En aquest treball primer descrivim la utilització de la hibridació in situ amb fluorescència (FISH), mitjançant l'aplicació de sondes amb diana en el 16SrRNA dels AOB. La FISH ens va permetre detectar i recomptar aquest grup bacterià; no obstant, aquest mètode no permetia la detecció de noves seqüències, pel que es necessitava una nova eina. Amb aquesta intenció vam aplicar la seqüència de la sonda Nso1225 en una PCR. El fet d'amplificar específicament un fragment del 16SrDNA dels AOB va suposar el desenvolupament d'una nova eina molecular que permetia detectar la presència i diversitat d'aquests bacteris en ambients naturals. Malgrat tot, algunes seqüències pertanyents a bacteris no oxidadors d'amoni del subgrup β dels proteobacteris, eren també obtingudes amb aquesta tècnica. Així mateix, un dels inconvenients de l'ús del 16SrDNA com a marcador és la impossibilitat de detectar simultàniament els AOB que pertanyen als subgrups β i γ dels proteobacteris. El gen amoA, que codifica per la subunitat A de l'enzim amoni monooxigenasa (AMO), era aleshores àmpliament utilitzat com a marcador per a la detecció dels AOB. En aquest treball també descrivim la utilització d'aquest marcador en mostres procedents d'un reactor SBR. Aquest marcador ens va permetre identificar seqüències de AOB en la mostra, però la necessitat de detectar amoA mitjançant clonatge fa que l'ús d'aquest marcador requereixi massa temps per a la seva utilització com a eina en estudis d'ecologia microbiana amb moltes mostres. Per altra banda, alguns autors han assenyalat l'obtenció de seqüències de no AOB en utilitzar amoA en un protocol de PCR-DGGE. Amb la finalitat d'obtenir una eina ràpida i rigorosa per detectar i identificar els AOB, vam desenvolupar un joc nou d'oligonucleòtids amb diana en el gen amoB, que codifica per a la subunitat transmembrana de l'enzim AMO. Aquest gen ha demostrat ser un bon marcador molecular pels AOB, oferint, sense tenir en compte afiliacions filogenètiques, una elevada especificitat, sensibilitat i fiabilitat. En aquest treball també presentem una anàlisi de RT-PCR basada en la detecció del gen amoB per a la quantificació del gènere Nitrosococcus. El nou joc d'oligonucleòtids dissenyat permet una enumeració altament específica i sensible de tots els γ-Nitrosococcus coneguts. Finalment, vam realitzar un estudi poligènic, comparant i avaluant els marcadors amoA, amoB i 16SrDNA, i vàrem construir un arbre filogenètic combinat. Com a resultat concloem que amoB és un marcador adequat per a la detecció i identificació dels AOB en mostres ambientals, proporcionant alhora agrupacions consistents en fer inferències filogenètiques. Per altra banda, la seqüència sencera del gen 16S rDNA és indicada com a marcador en estudis amb finalitats taxonòmiques i filogenètiques en treballar amb cultius purs de AOB.

Desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica

La present Tesi Doctoral, titulada desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica, tracta, fonamentalment, els aspectes de càlcul de mesures de semblança basades en la comparació de funcions de densitat electrònica.El primer capítol, Semblança quàntica, és introductori. S'hi descriuen les funcions de densitat de probabilitat electrònica i llur significança en el marc de la mecànica quàntica. Se n'expliciten els aspectes essencials i les condicions matemàtiques a satisfer, cara a una millor comprensió dels models de densitat electrònica que es proposen. Hom presenta les densitats electròniques, mencionant els teoremes de Hohenberg i Kohn i esquematitzant la teoria de Bader, com magnituds fonamentals en la descripció de les molècules i en la comprensió de llurs propietats.En el capítol Models de densitats electròniques moleculars es presenten procediments computacionals originals per l'ajust de funcions densitat a models expandits en termes de gaussianes 1s centrades en els nuclis. Les restriccions físico-matemàtiques associades a les distribucions de probabilitat s'introdueixen de manera rigorosa, en el procediment anomenat Atomic Shell Approximation (ASA). Aquest procediment, implementat en el programa ASAC, parteix d'un espai funcional quasi complert, d'on se seleccionen variacionalment les funcions o capes de l'expansió, d'acord als requisits de no negativitat. La qualitat d'aquestes densitats i de les mesures de semblança derivades es verifica abastament. Aquest model ASA s'estén a representacions dinàmiques, físicament més acurades, en quant que afectades per les vibracions nuclears, cara a una exploració de l'efecte de l'esmorteïment dels pics nuclears en les mesures de semblança molecular. La comparació de les densitats dinàmiques respecte les estàtiques evidencia un reordenament en les densitats dinàmiques, d'acord al que constituiria una manifestació del Principi quàntic de Le Chatelier. El procediment ASA, explícitament consistent amb les condicions de N-representabilitat, s'aplica també a la determinació directe de densitats electròniques hidrogenoides, en un context de teoria del funcional de la densitat.El capítol Maximització global de la funció de semblança presenta algorismes originals per la determinació de la màxima sobreposició de les densitats electròniques moleculars. Les mesures de semblança molecular quàntica s'identifiquen amb el màxim solapament, de manera es mesuri la distància entre les molècules, independentment dels sistemes de referència on es defineixen les densitats electròniques. Partint de la solució global en el límit de densitats infinitament compactades en els nuclis, es proposen tres nivells de aproximació per l'exploració sistemàtica, no estocàstica, de la funció de semblança, possibilitant la identificació eficient del màxim global, així com també dels diferents màxims locals. Es proposa també una parametrització original de les integrals de recobriment a través d'ajustos a funcions lorentzianes, en quant que tècnica d'acceleració computacional. En la pràctica de les relacions estructura-activitat, aquests avenços possibiliten la implementació eficient de mesures de semblança quantitatives, i, paral·lelament, proporcionen una metodologia totalment automàtica d'alineació molecular. El capítol Semblances d'àtoms en molècules descriu un algorisme de comparació dels àtoms de Bader, o regions tridimensionals delimitades per superfícies de flux zero de la funció de densitat electrònica. El caràcter quantitatiu d'aquestes semblances possibilita la mesura rigorosa de la noció química de transferibilitat d'àtoms i grups funcionals. Les superfícies de flux zero i els algorismes d'integració usats han estat publicats recentment i constitueixen l'aproximació més acurada pel càlcul de les propietats atòmiques. Finalment, en el capítol Semblances en estructures cristal·lines hom proposa una definició original de semblança, específica per la comparació dels conceptes de suavitat o softness en la distribució de fonons associats a l'estructura cristal·lina. Aquests conceptes apareixen en estudis de superconductivitat a causa de la influència de les interaccions electró-fonó en les temperatures de transició a l'estat superconductor. En aplicar-se aquesta metodologia a l'anàlisi de sals de BEDT-TTF, s'evidencien correlacions estructurals entre sals superconductores i no superconductores, en consonància amb les hipòtesis apuntades a la literatura sobre la rellevància de determinades interaccions.Conclouen aquesta tesi un apèndix que conté el programa ASAC, implementació de l'algorisme ASA, i un capítol final amb referències bibliogràfiques.

Dynamic load balancing for the distributed mining of molecular structures

In molecular biology, it is often desirable to find common properties in large numbers of drug candidates. One family of methods stems from the data mining community, where algorithms to find frequent graphs have received increasing attention over the past years. However, the computational complexity of the underlying problem and the large amount of data to be explored essentially render sequential algorithms useless. In this paper, we present a distributed approach to the frequent subgraph mining problem to discover interesting patterns in molecular compounds. This problem is characterized by a highly irregular search tree, whereby no reliable workload prediction is available. We describe the three main aspects of the proposed distributed algorithm, namely, a dynamic partitioning of the search space, a distribution process based on a peer-to-peer communication framework, and a novel receiverinitiated load balancing algorithm. The effectiveness of the distributed method has been evaluated on the well-known National Cancer Institute’s HIV-screening data set, where we were able to show close-to linear speedup in a network of workstations. The proposed approach also allows for dynamic resource aggregation in a non dedicated computational environment. These features make it suitable for large-scale, multi-domain, heterogeneous environments, such as computational grids.

Context-aware visual exploration of molecular databases

Facilitating the visual exploration of scientific data has received increasing attention in the past decade or so. Especially in life science related application areas the amount of available data has grown at a breath taking pace. In this paper we describe an approach that allows for visual inspection of large collections of molecular compounds. In contrast to classical visualizations of such spaces we incorporate a specific focus of analysis, for example the outcome of a biological experiment such as high throughout screening results. The presented method uses this experimental data to select molecular fragments of the underlying molecules that have interesting properties and uses the resulting space to generate a two dimensional map based on a singular value decomposition algorithm and a self organizing map. Experiments on real datasets show that the resulting visual landscape groups molecules of similar chemical properties in densely connected regions.

Fast training of self organizing maps for the visual exploration of molecular compounds

Visual exploration of scientific data in life science area is a growing research field due to the large amount of available data. The Kohonen’s Self Organizing Map (SOM) is a widely used tool for visualization of multidimensional data. In this paper we present a fast learning algorithm for SOMs that uses a simulated annealing method to adapt the learning parameters. The algorithm has been adopted in a data analysis framework for the generation of similarity maps. Such maps provide an effective tool for the visual exploration of large and multi-dimensional input spaces. The approach has been applied to data generated during the High Throughput Screening of molecular compounds; the generated maps allow a visual exploration of molecules with similar topological properties. The experimental analysis on real world data from the National Cancer Institute shows the speed up of the proposed SOM training process in comparison to a traditional approach. The resulting visual landscape groups molecules with similar chemical properties in densely connected regions.

High performance subgraph mining in molecular compounds

Structured data represented in the form of graphs arises in several fields of the science and the growing amount of available data makes distributed graph mining techniques particularly relevant. In this paper, we present a distributed approach to the frequent subgraph mining problem to discover interesting patterns in molecular compounds. The problem is characterized by a highly irregular search tree, whereby no reliable workload prediction is available. We describe the three main aspects of the proposed distributed algorithm, namely a dynamic partitioning of the search space, a distribution process based on a peer-to-peer communication framework, and a novel receiver-initiated, load balancing algorithm. The effectiveness of the distributed method has been evaluated on the well-known National Cancer Institute’s HIV-screening dataset, where the approach attains close-to linear speedup in a network of workstations.

Efficient mining of discriminative molecular fragments

Frequent pattern discovery in structured data is receiving an increasing attention in many application areas of sciences. However, the computational complexity and the large amount of data to be explored often make the sequential algorithms unsuitable. In this context high performance distributed computing becomes a very interesting and promising approach. In this paper we present a parallel formulation of the frequent subgraph mining problem to discover interesting patterns in molecular compounds. The application is characterized by a highly irregular tree-structured computation. No estimation is available for task workloads, which show a power-law distribution in a wide range. The proposed approach allows dynamic resource aggregation and provides fault and latency tolerance. These features make the distributed application suitable for multi-domain heterogeneous environments, such as computational Grids. The distributed application has been evaluated on the well known National Cancer Institute’s HIV-screening dataset.

Mapping and controlling molecular processes: The application of control theory and system identification algorithms to ASOPS and other fast pulse spectroscopies

Asynchronous Optical Sampling (ASOPS) [1,2] and frequency comb spectrometry [3] based on dual Ti:saphire resonators operated in a master/slave mode have the potential to improve signal to noise ratio in THz transient and IR sperctrometry. The multimode Brownian oscillator time-domain response function described by state-space models is a mathematically robust framework that can be used to describe the dispersive phenomena governed by Lorentzian, Debye and Drude responses. In addition, the optical properties of an arbitrary medium can be expressed as a linear combination of simple multimode Brownian oscillator functions. The suitability of a range of signal processing schemes adopted from the Systems Identification and Control Theory community for further processing the recorded THz transients in the time or frequency domain will be outlined [4,5]. Since a femtosecond duration pulse is capable of persistent excitation of the medium within which it propagates, such approach is perfectly justifiable. Several de-noising routines based on system identification will be shown. Furthermore, specifically developed apodization structures will be discussed. These are necessary because due to dispersion issues, the time-domain background and sample interferograms are non-symmetrical [6-8]. These procedures can lead to a more precise estimation of the complex insertion loss function. The algorithms are applicable to femtosecond spectroscopies across the EM spectrum. Finally, a methodology for femtosecond pulse shaping using genetic algorithms aiming to map and control molecular relaxation processes will be mentioned.

Molecular, cellular and physiological investigation of myostatin propeptide-mediated muscle growth in adult mice

Inhibition of myostatin signalling or its biological activity has recently emerged as a potential remedial approach against muscle wasting and degenerative diseases such as muscular dystrophies. In the present study we systemically administered a recombinant AAV8 vector expressing a mutated myostatin propeptide (AAV8ProMyo) to healthy mice in order to assess its impact on the histological, cellular and physiological properties of the skeletal muscle, exploiting the fact that myostatin is naturally inhibited by its own propeptide. We report that a single intravenous administration of AAV8ProMyo leads to increases in muscle mass of tibialis anterior, extensor digitorum longus and gastrocnemius muscles 8 weeks post-injection and tibialis anterior, gastrocnemius and rectus femoris muscles 17 weeks post-injection. Moreover, treatment resulted in muscle fibre hypertrophy but not hyperplasia, with IIB myofibres responding to the greatest extent following propeptide-induced myostatin inhibition. Additionally, myofibre nuclear: cytoplasmic ratio was decreased in the AAV8ProMyo treated animals. Importantly, the hypertrophic EDL muscle 8 weeks after AAV8ProMyo treatment did not show the dramatic decrease in specific force displayed by the germline myostatin null mice. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Systems biology meets stress ecology: linking molecular and organismal stress responses in Daphnia magna

Background: Ibuprofen and other nonsteroidal anti-inflammatory drugs have been designed to interrupt eicosanoid metabolism in mammals, but little is known of how they affect nontarget organisms. Here we report a systems biology study that simultaneously describes the transcriptomic and phenotypic stress responses of the model crustacean Daphnia magna after exposure to ibuprofen. Results: Our findings reveal intriguing similarities in the mode of action of ibuprofen between vertebrates and invertebrates, and they suggest that ibuprofen has a targeted impact on reproduction at the molecular, organismal, and population level in daphnids. Microarray expression and temporal real-time quantitative PCR profiles of key genes suggest early ibuprofen interruption of crustacean eicosanoid metabolism, which appears to disrupt signal transduction affecting juvenile hormone metabolism and oogenesis. Conclusion: Combining molecular and organismal stress responses provides a guide to possible chronic consequences of environmental stress for population health. This could improve current environmental risk assessment by providing an early indication of the need for higher tier testing. Our study demonstrates the advantages of a systems approach to stress ecology, in which Daphnia will probably play a major role.

Population subdivision and molecular sequence variation: Theory and analysis of Drosophila ananassae data

Population subdivision complicates analysis of molecular variation. Even if neutrality is assumed, three evolutionary forces need to be considered: migration, mutation, and drift. Simplification can be achieved by assuming that the process of migration among and drift within subpopulations is occurring fast compared to Mutation and drift in the entire population. This allows a two-step approach in the analysis: (i) analysis of population subdivision and (ii) analysis of molecular variation in the migrant pool. We model population subdivision using an infinite island model, where we allow the migration/drift parameter Theta to vary among populations. Thus, central and peripheral populations can be differentiated. For inference of Theta, we use a coalescence approach, implemented via a Markov chain Monte Carlo (MCMC) integration method that allows estimation of allele frequencies in the migrant pool. The second step of this approach (analysis of molecular variation in the migrant pool) uses the estimated allele frequencies in the migrant pool for the study of molecular variation. We apply this method to a Drosophila ananassae sequence data set. We find little indication of isolation by distance, but large differences in the migration parameter among populations. The population as a whole seems to be expanding. A population from Bogor (Java, Indonesia) shows the highest variation and seems closest to the species center.

Metal complexes of a tetraazacyclophane: solution and molecular modelling studies

An alternative synthetic approach to yield the compound 2,3,5,6,8,9,11,14-octahydrobenzo[1][ 1,4,7,10]tetraazacyclotetradecine (bz[14]N-4) is presented. The protonation constants of bz[14]N-4 and the stability constants of its complexes with Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+ were determined in H2O at 25degreesC with ionic strength 0.10 mol dm(-3) in KNO3 and they were compared with structurally related macrocycles cyclam (1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane) and cyclen (1,4,7,10-tetraazacyclododecane). These studies indicate that only 1 : 1 ( M : L) species are formed in solution, and the ligand exhibits a high affinity for larger ions such as Cd2+ and Pb2+. The X-ray study of [bz[14]N4H3](3+) shows that an inclusion compound with a chloride counter-anion is formed through NH...Cl hydrogen bonds. Spectroscopic data in solution ( electronic and NMR spectra) showed that the macrocycle adopts a planar arrangement upon metal complexation. Molecular mechanics calculations reveal that in spite of the presence of the benzene ring in the macrocyclic framework this ligand can encapsulate metal ions with different stereo-electronic sizes in square planar arrangements. Our results indicate that the presence of the benzene ring in the backbone of the bz[14]N-4 confers a coordination behaviour intermediate between that of cyclam and cyclen.

Synthesis of hyperbranched poly(aryl amine)s via a carbene insertion approach

A novel diazirine functionalised aniline derivative, 3-(3-aminophenyl)-3-methyldiazirine 1, was prepared and employed as an AB(2)-type monomer in the synthesis of hyperbranched polymers; thus providing the first instance in which polyamines have been prepared via carbene insertion polymerisation. Photolysis of the monomer 1 in bulk and in solution resulted in the formation of hyperbranched poly(aryl amine)s with degrees of polymerisation (DP) varying from 9 to 26 as determined by gel permeation chromatography (GPC). In solution, an increase in the initial monomer concentration was generally found to result in a decrease in the molecular weight characteristics of the resulting poly(aryl amine) s. Subsequent thermal treatment of the poly(aryl amine) s caused a further increase in the DP values up to a maximum of 31. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopic analysis revealed that the increase in molecular weight upon thermal treatment resulted from hydroamination of styrenic species formed in the initial photopolymerisation or activation of diazirine moieties.

Synthesis and evaluation of a solid supported molecular tweezer type receptor for cholesterol

A new macroporous stationary phase bearing 'tweezer' receptors that exhibit specificity for cholesterol has been constructed from rigid multifunctional vinylic monomers derived from 3,5-dibromobenzoic acid, propargyl alcohol and cholesterol. The synthesis of the novel tweezer monomer that contains two cholesterol receptor arms using palladium mediated Sonogashira methodologies and carbonate couplings is reported. The subsequent co-polymerisation of this tweezer monomer with a range of cross-linking agents via a 'pseudo' molecular imprinting approach afforded a diverse set of macroporous materials. The selectivity and efficacy of these materials for cholesterol binding was assessed using a chromatographic screening process. The optimum macroporous stationary phase material composition was subsequently used to construct monolithic solid phase extraction columns for use in the selective extraction of cholesterol from multi-component mixtures of structurally related steroids.