Optical Tweezers for Single Molecule Biology

Molecular machinery on the micro-scale, believed to be the fundamental building blocks of life, involve forces of 1-100 pN and movements of nanometers to micrometers. Micromechanical single-molecule experiments seek to understand the physics of nucleic acids, molecular motors, and other biological systems through direct measurement of forces and displacements. Optical tweezers are a popular choice among several complementary techniques for sensitive force-spectroscopy in the field of single molecule biology. The main objective of this thesis was to design and construct an optical tweezers instrument capable of investigating the physics of molecular motors and mechanisms of protein/nucleic-acid interactions on the single-molecule level. A double-trap optical tweezers instrument incorporating acousto-optic trap-steering, two independent detection channels, and a real-time digital controller was built. A numerical simulation and a theoretical study was performed to assess the signal-to-noise ratio in a constant-force molecular motor stepping experiment. Real-time feedback control of optical tweezers was explored in three studies. Position-clamping was implemented and compared to theoretical models using both proportional and predictive control. A force-clamp was implemented and tested with a DNA-tether in presence of the enzyme lambda exonuclease. The results of the study indicate that the presented models describing signal-to-noise ratio in constant-force experiments and feedback control experiments in optical tweezers agree well with experimental data. The effective trap stiffness can be increased by an order of magnitude using the presented position-clamping method. The force-clamp can be used for constant-force experiments, and the results from a proof-of-principle experiment, in which the enzyme lambda exonuclease converts double-stranded DNA to single-stranded DNA, agree with previous research. The main objective of the thesis was thus achieved. The developed instrument and presented results on feedback control serve as a stepping stone for future contributions to the growing field of single molecule biology.

Suboptimal reentry guidance of a reusable launch vehicle using pitch plane maneuver

Using the recently developed model predictive static programming (MPSP) technique, a nonlinear suboptimal reentry guidance scheme is presented in this paper for a reusable launch vehicle (RLV). Unlike traditional RLV guidance, the problem considered over here is restricted only to pitch plane maneuver of the vehicle, which allows simpler mission planning and vehicle load management. The computationally efficient MPSP technique brings in the philosophy of trajectory optimization into the framework of guidance design, which in turn results in very effective guidance schemes in general. In the problem addressed in this paper, it successfully guides the RLV through the critical reentry phase both by constraining it to the allowable narrow flight corridor as well as by meeting the terminal constraints at the end of the reentry segment. The guidance design is validated by considering possible aerodynamic uncertainties as well as dispersions in the initial conditions. (C) 2010 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Nonlinear Suboptimal Guidance with Impact Angle Constraint for Slow Moving Targets in 1-D Using MPSP

Using a recently developed method named as model predictive static programming (MPSP), a nonlinear suboptimal guidance law for a constant speed missile against a slow moving target with impact angle constraint is proposed. In this paper MPSP technique leads to a closed form solution of the latax history update for the given problem. Guidance command is the latax,which is normal to the missile velocity and the terminal constraints are miss distance and impact angle. The new guidance law is validated by considering the nonlinear kinematics with both lag-free and first order autopilot delay.

Dynamics of the Indian-Ocean oxygen minimum zones

In the Indian Ocean, mid-depth oxygen minimum zones (OMZs) occur in the Arabian Sea and the Bay of Bengal. The lower part of the Arabian-Sea OMZ (ASOMZ; below 400 m) intensifies northward across the basin; in contrast, its upper part (above 400 m) is located in the central/eastern basin, well east of the most productive regions along the western boundary. The Bay-of-Bengal OMZ (BBOMZ), although strong, is weaker than the ASOMZ. To investigate the processes that maintain the Indian-Ocean OMZs, we obtain a suite of solutions to a coupled biological/physical model. Its physical component is a variable-density, 6 1/2-layer model, in which each layer corresponds to a distinct dynamical regime or water-mass type. Its biological component has six compartments: nutrients, phytoplankton, zooplankton, two size classes of detritus, and oxygen. Because the model grid is non-eddy resolving (0.5 degrees), the biological model also includes a parameterization of enhanced mixing based on the eddy kinetic energy derived from satellite observations. To explore further the impact of local processes on OMZs, we also obtain analytic solutions to a one-dimensional, simplified version of the biological model. Our control run is able to simulate basic features of the oxygen, nutrient, and phytoplankton fields throughout the Indian Ocean. The model OMZs result from a balance, or lack thereof, between a sink of oxygen by remineralization and subsurface oxygen sources due primarily to northward spreading of oxygenated water from the Southern Hemisphere, with a contribution from Persian-Gulf water in the northern Arabian Sea. The northward intensification of the lower ASOMZ results mostly from horizontal mixing since advection is weak in its depth range. The eastward shift of the upper ASOMZ is due primarily to enhanced advection and vertical eddy mixing in the western Arabian Sea, which spread oxygenated waters both horizontally and vertically. Advection carries small detritus from the western boundary into the central/eastern Arabian Sea, where it provides an additional source of remineralization that drives the ASOMZ to suboxic levels. The model BBOMZ is weaker than the ASOMZ because the Bay lacks a remote source of detritus from the western boundary. Although detritus has a prominent annual cycle, the model OMZs do not because there is not enough time for significant remineralization to occur.

Medição experimental e previsão de velocidade do som de componentes de biocombustíveis

A velocidade do som é uma propriedade que vem sendo cada vez mais utilizada em diferentes áreas tecnológicas. Além disso, a velocidade do som é uma propriedade termodinâmica que está associada a outras propriedades do meio como a compressibilidade isentrópica e isotérmica, entre outras. Neste contexto, muitos estudos foram realizados a fim de obter modelos precisos que possam representar fielmente a velocidade do som, sendo observados desvios absolutos médios entre 0,13 e 24,8%. Neste trabalho, um banco de dados de velocidade do som e massa específica à pressão atmosférica de n-alcanos, alcanos ramificados, n-alcenos, aromáticos, alcoóis, éteres e ésteres, foram compilados da literatura aberta. Utilizando estes dados e baseando-se no modelo de Wada por contribuição de grupo recentemente proposto, foi desenvolvido um novo modelo por contribuição atômica para predizer a velocidade do som de todas as famílias dos compostos investigados neste trabalho. É mostrado que o modelo proposto é capaz de prever a velocidade do som para os compostos destas famílias com desvios próximos da incerteza experimental calculada a partir de diferentes dados da literatura. Este trabalho também discute o efeito da ramificação das cadeias na constante Wada, ressaltando a importância de novas medições para este tipo de compostos. Além disso, observou-se que a literatura necessita de mais dados experimentais de velocidade do som, à pressão atmosférica e diferentes temperaturas para substâncias puras presentes em biodiesel e bio-óleo de pirólise rápida. Neste contexto, o presente trabalho fornece novos dados experimentais de velocidade do som e massa específica de cinco ésteres metílicos de ácidos graxos, também conhecidos como FAMEs, (caprilato de metila, caprato de metila, palmitato de metila, estearato de metila e linoleato de metila), e sete componentes puros presentes em bio-óleo de pirólise à pressão atmosférica, de vários fenóis (fenol, o-, m- e p-cresol), dois éteres fenólicos (2-metoxifenol e eugenol) e um éster fenólico (salicilato de metila), a temperaturas de (288,15-343,15) K. O modelo preditivo de Wada atômico foi utilizado para calcular a velocidade do som dos FAMEs estudados neste trabalho, e os desvios foram comparados com o modelo de Wada por contribuição de grupo. O modelo atômico de Wada foi utilizado para prever a velocidade do som dos componentes puros presentes no bio-óleo de pirólise rápida experimentalmente estudados nesta dissertação. Além disso, os dados de massa específica e velocidade de som foram correlacionados com o modelo de Prigogine-Flory-Patterson (PFP). As propriedades foram bem representadas pelo modelo PFP, no entanto, para a velocidade do som o modelo apresenta desvios sistemáticos na dependência com a temperatura. O desempenho do modelo preditivo de Wada atômico foi considerado satisfatório, devido os desvios observados serem compatíveis ou até menores do que os desvios típicos obtidos na literatura com outros modelos correlativos para o cálculo da velocidade do som de outras substâncias

Seroprevalence of Triatoma virus (Dicistroviridae: Cripaviridae) antibodies in Chagas disease patients

Background: Chagas disease is caused by Trypanosoma cruzi, and humans acquire the parasite by exposure to contaminated feces from hematophagous insect vectors known as triatomines. Triatoma virus (TrV) is the sole viral pathogen of triatomines, and is transmitted among insects through the fecal-oral route and, as it happens with T. cruzi, the infected insects release the virus when defecating during or after blood uptake. Methods: In this work, we analysed the occurrence of anti-TrV antibodies in human sera from Chagas disease endemic and non-endemic countries, and developed a mathematical model to estimate the transmission probability of TrV from insects to man, which ranged between 0.00053 and 0.0015. Results: Our results confirm that people with Chagas disease living in Bolivia, Argentina and Mexico have been exposed to TrV, and that TrV is unable to replicate in human hosts. Conclusions: We presented the first experimental evidence of antibodies against TrV structural proteins in human sera.

Distribuição das assembleias de girinos associadas a riachos da Reserva Ecológica de Guapiaçu, Cachoeiras de Macacú, Rio de Janeiro, Brasil

Os girinos são organismos diversos e abundantes nos pequenos riachos de cabeceira de florestas tropicais e constituem importantes componentes da diversidade biológica, da trófica e funcional dos sistemas aquáticos. Diferentes características estruturais e limnológicas dos ambientes aquáticos influenciam a organização das assembleias de girinos. Embora o estágio larvar dos anuros seja o mais vulnerável de seu ciclo de vida, sujeito a elevadas taxas de mortalidade, as pesquisas sobre girinos na região neotropical ainda são pouco representativas diante da elevada diversidade de anfíbios desta região e ferramentas que permitam a sua identificação ainda são escassas. Nesta tese, dividida em três capítulos, apresento uma compilação das informações relacionadas aos principais fatores que afetam as assembleias de girinos na região tropical (Capítulo 1), a caracterização morfológica dos girinos encontrados nos riachos durante o estudo e uma proposta de chave dicotômica de identificação (Capítulo 2) e avalio a importância relativa da posição geográfica e da variação temporal de fatores ambientais locais sobre as assembleias de girinos, assim como a correlação entre as espécies de girinos e as variáveis ambientais de 10 riachos, ao longo de 15 meses, nas florestas da REGUA (Capítulo 3). Há pelo menos oito tendências relacionadas à distribuição das assembleias de girinos: (1) o tamanho dos riachos e a diversidade de microhabitats são importantes características abióticas influenciando a riqueza e a composição de espécies; (2) em poças, o gradiente de permanência (e.g., hidroperíodo) e a heterogeneidade do habitat são os principais fatores moldando as assembleias de girinos; (3) a composição de espécies parece ser um parâmetro das assembleias mais relevante do que a riqueza de espécies e deve ser primeiramente considerado durante o planejamento de ações conservacionistas de anuros associados a poças e riachos; (4) a predação parece ser a interação biótica mais importante na estruturação das assembleias de girinos, com predadores vertebrados (e.g. peixes) sendo mais vorazes em habitats permanentes e predadores invertebrados (e.g. larvas de odonata) sendo mais vorazes em ambientes temporários; (5) os girinos podem exercer um efeito regulatório, predando ovos e girinos recém eclodidos; (6) o uso do microhabitat varia em função da escolha do habitat reprodutivo pelos adultos, presença de predadores, filogenia, estágio de desenvolvimento e heterogeneidade do habitat; (7) os fatores históricos restringem os habitats reprodutivos que uma espécie utiliza, impondo restrições comportamentais e fisiológicas; (8) a variação temporal nos fatores bióticos (e.g., fatores de risco), abióticos (e.g., distribuição de chuvas), e no padrão de reprodução das espécies pode interferir na estrutura das assembleias de girinos tropicais. A variação temporal na heterogeneidade ambiental dos riachos da REGUA resultou na previsibilidade das assembleias locais de girinos, sendo que os parâmetros ambientais explicaram 23% da variação na sua composição. Os parâmetros espaciais explicaram uma porção menor da variação nas assembleias (16%), enquanto uma porção relativamente elevada da variação temporal da heterogeneidade ambiental foi espacialmente estruturada (18%). As variáveis abióticas que apresentaram as maiores correlação com a composição das assembleias de girinos foram a proporção de folhiço e de rochas no fundo do riacho, e secundariamente a profundidade, a condutividade e a temperatura. O gradiente gerado pela proporção de folhiço e de rochas representou a transição entre riachos permanentes e intermitentes. Este gradiente proporcionou o turnover de espécies, o qual também seguiu um gradiente de condutividade, temperatura, profundidade, e em menor extensão, de hidroperíodo e largura, que estiveram fortemente associado ao grau de permanência dos riachos. Estes resultados corroboram tanto a hipótese do controle ambiental, como do controle biótico de comunidades e indicam que a variação temporal da heterogeneidade ambiental e a variação na posição geográfica são importantes para a estruturação local de assembleias de girinos da REGUA. Os resultados também permitiram distinguir entre assembleias de girinos exclusivas de riachos permanentes, exclusivas de riachos intermitentes e aquelas registradas nos dois tipos de riachos. Os resultados deste capítulo são relevantes para compreender em que extensão os efeitos da variação temporal na heterogeneidade ambiental e de processos espaciais afetam localmente a estruturação de assembleias de girinos.

Designing MPC controllers by reverse-engineering existing LTI controllers

This technical report presents a method for designing a constrained output-feedback model predictive controller (MPC) that behaves in the same way as an existing baseline stabilising linear time invariant output-feedback controller when constraints are inactive. The baseline controller is cast into an observer-compensator form and an inverse-optimal cost function is used as the basis of the MPC controller. The available degrees of design freedom are explored, and some guidelines provided for the selection of an appropriate observer-compensator realisation that will best allow exploitation of the constraint-handling and redundancy management capabilities of MPC. Consideration is given to output setpoint tracking, and the method is demonstrated with three different multivariable plants of varying complexity.

Central representation of dynamics when manipulating handheld objects.

To explore the neural mechanisms related to representation of the manipulation dynamics of objects, we performed whole-brain fMRI while subjects balanced an object in stable and highly unstable states and while they balanced a rigid object and a flexible object in the same unstable state, in all cases without vision. In this way, we varied the extent to which an internal model of the manipulation dynamics was required in the moment-to-moment control of the object's orientation. We hypothesized that activity in primary motor cortex would reflect the amount of muscle activation under each condition. In contrast, we hypothesized that cerebellar activity would be more strongly related to the stability and complexity of the manipulation dynamics because the cerebellum has been implicated in internal model-based control. As hypothesized, the dynamics-related activation of the cerebellum was quite different from that of the primary motor cortex. Changes in cerebellar activity were much greater than would have been predicted from differences in muscle activation when the stability and complexity of the manipulation dynamics were contrasted. On the other hand, the activity of the primary motor cortex more closely resembled the mean motor output necessary to execute the task. We also discovered a small region near the anterior edge of the ipsilateral (right) inferior parietal lobule where activity was modulated with the complexity of the manipulation dynamics. We suggest that this is related to imagining the location and motion of an object with complex manipulation dynamics.

Alternating spatial patterns for coordinated group motion

Motivated by recent observations of fish schools, we study coordinated group motion for individuals with oscillatory speed. Neighbors that have speed oscillations with common frequency, amplitude and average but different phases, move together in alternating spatial patterns, taking turns being towards the front, sides and back of the group. We propose a model and control laws to investigate the connections between these spatial dynamics, communication when sensing is range or direction limited, and convergence of coordinated group motions. ©2007 IEEE.

Minimalistic models of an energy efficient vertical hopping robot

The use of free vibration in elastic structure can lead to energy efficient robot locomotion, since it significantly reduces the energy expenditure if properly designed and controlled. However, it is not well understood how to harness the dynamics of free vibration for the robot locomotion, because of the complex dynamics originated in discrete events and energy dissipation during locomotion. From this perspective, this paper explores three minimalistic models of free vibration that can characterize the basic principle of robot locomotion. Since the robot mainly exhibits vertical hopping, three one-dimensional models are examined that contain different configurations of simple spring-damper-mass components. The self-stability of these models are also investigated in simulation. The real-world and simulation experiments show that one of the models best characterizes the robot hopping, through analyzing the basic kinematics and negative works in actuation. Based on this model, the control parameters are analyzed for the energy efficient hopping. © 2013 IEEE.

基于改进网络模型的大时滞网络拥塞控制算法

　随着对网络拥塞控制的深入研究,出现了许多有关网络流量的控制理论及网络模型.Misra等人于2000年基于流体流(fluidflow)理论提出的模型被研究人员广为采用.但模型在推导过程中的一些近似却使得模型对网络行为描述不精确.本文对此从理论和实验结果两方面进行了详细分析,并对原模型进行了改进.基于改进的模型,把一种PID(ProportionalIntegralDifferential)及类PID设计方法用于AQM(ActiveQueueManagement)控制器的设计.对比仿真结果表明,该算法具有更好的性能.

基于web的遥操作系统时延分析

采用预测控制算法给出了一种带有时延补偿器的新的控制结构,分别在前向通道和反馈通道设计补偿器对网络时延进行补偿.实验结果表明:带有预测器及补偿器的新的控制结构可以改善系统的动态性能,并且能够保证系统在具有时延和数据丢失的环境下的稳定性.

空间柔性双臂机器人系统建模、控制与仿真研究

空间柔性多臂机器人系统是高度非线性,强耦合的动力学系统,其动力学的研究是比较复杂和困难的问题.本文针对极为复杂的空间柔性双臂机器人系统,建立了其系统动力学模型,利用逆动力学控制算法对该动力学模型实现了轨迹跟踪控制,仿真结果表明该方法具有较好的控制效果,分析了在仿真过程中出现的有关数值算法的问题.