Metabolic and morphogenetic engineering of Bacillus subtilis: biotechnology for industry

Dissertation presented to obtain the Ph.D. degree in “Biology” at the Institute of Chemical and Biological Technology of the New University of Lisbon

Sustainability Improvement of a composite materials’ industry through recycling and re-engineering process approaches

Recent Advances in Mechanics and Materials in Design

Functional characterization and directed engineering of redox proteins for a rational improvement of Bioelectrochemical systems

In recent years, new methods of clean and environmentally friendly energy production have been the focus of intense research efforts. Microbial fuel cells (MFCs) are devices that utilize naturally occurring microorganisms that feed on organic matter, like waste water, while producing electrical energy. The natural habitats of bacteria thriving in microbial fuel cells are usually marine and freshwater sediments. These microorganisms are called dissimilatory metal reducing bacteria (DMRB), but in addition to metals like iron and manganese, they can use organic compounds like DMSO or TMAO, radionuclides and electrodes as terminal electron acceptors in their metabolic pathways.(...)

Subepithelial collagen content in the peripheral airways of heaves-affected and control horses

Chez les patients asthmatiques, on retrouve un remodelage de la matrice extracellulaire des poumons, caractérisé par une augmentation du collagène ou fibrose de la couche sous-épithéliale des voies respiratoires. Le souffle, maladie inflammatoire chronique des voies respiratoires inférieures des chevaux matures, présente des similarités physiopathologiques avec l’asthme humain, incluant le remodelage. Ceci nous conduit à l’hypothèse que la fibrose de la couche sous-épithéliale pourrait être une composante des lésions pulmonaires chez les chevaux affectés, ce que notre étude avait pour objectif d’évaluer. Des biopsies pulmonaires périphériques réalisées par voie thoracoscopique ont été obtenues chez 5 chevaux témoins et 6 chevaux atteints du souffle, avant (T0) et après une stimulation antigénique de 30 jours avec du foin moisi et de la paille. Avant le début de l’étude, les sujets étaient en rémission clinique et ne démontraient aucun signe clinique de maladie. Un examen microscopique des échantillons prélevés a été réalisé après traitement au picrosirius-rouge, colorant spécifique des fibres de collagène. La surface du collagène de la couche sous-épithéliale a été mesurée et corrigée en fonction de la taille de la voie respiratoire en utilisant des techniques morphométriques standards. Les chevaux atteints de souffle ont une surface de collagène plus grande dans la couche sous-épithéliale (p<0.1) en comparaison avec les chevaux témoins. La fibrose de la couche sous-épithéliale demeure inchangée chez les chevaux malades après la stimulation antigénique de 30 jours. À T0, la fibrose de la couche sous-épithéliale est associée positivement aux variations maximales de pression pleurale et à la résistance pulmonaire chez les chevaux atteints de souffle. Les résultats de cette étude suggèrent qu’une fibrose de la couche sous-épithéliale est présente dans les voies respiratoires périphériques des chevaux atteints de souffle et contribue au déficit de fonction résiduel pulmonaire observé lors de rémission clinique.

Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

Synchronization and control of chaos in coupled chaotic multimode Nd:YAG lasers

In this Letter we numerically investigate the dynamics of a system of two coupled chaotic multimode Nd:YAG lasers with two mode and three mode outputs. Unidirectional and bidirectional coupling schemes are adopted; intensity time series plots, phase space plots and synchronization plots are used for studying the dynamics. Quality of synchronization is measured using correlation index plots. It is found that for laser with two mode output bidirectional direct coupling scheme is found to be effective in achieving complete synchronization, control of chaos and amplification in output intensity. For laser with three mode output, bidirectional difference coupling scheme gives much better chaotic synchronization as compared to unidirectional difference coupling but at the cost of higher coupling strength. We also conclude that the coupling scheme and system properties play an important role in determining the type of synchronization exhibited by the system.

Financial planning and Control in public sector undertakings in kerala

Today India is seeking a speedy transformation of her semi-stagnant economy to a dynamic one by means of economic planning in a democratic set up. In the context of this growth oriented endeavour public sector has a vital role to play. After three decades of planned development, it has become important that India must make fresh appraisals on the role of public sector in the economic renaissance of the country. Almost no comprehensive study has been made on this vital segment of the economy vis-a-vis the growth economics. This study is an attempt to fill this need in a very modest way. It presents the subject in a new perspective. An earnest attempt is made to reveal the critical problems inhibiting the growth of the public sector from a new angle which focusses the spot-light on the economics of development.

Socio economic factors influencing the persistence and control of filariasis in Kerala-A case study of malayan filariasis in Cherthala

In general the behavioural sciences have contributed very little to filariasis research.Man's actions in creating vector breeding sites have been noted and discussed frequently inthe frlariasis literature. but virtually no systematic studies of these fonns of behavior have been undertaken (Dunn. 1979). Human behavioural observations and inquires into values and attitudes atfecting behavior that inhibits or promotes vector breeding are essential if any progress is to be made in developing self help programmes of vector control. Therefore, a systematic study on the socio-economic aspect of the community is warranted before undertaking any control programme against filariasis. In view of this the present study has been carried out which reveals the knowledge, attitude and practice concerning the causation, transmission, treatment and control of the disease. Socio economic factors that influence the creation and maintenance of vector breeding habitats were identified. characterization and ranking of these sociological factors will be helpful in identifying the determinants of human behavioural changes towards the containment of the disease- Information on the existing indigenous perception of the disease and the factors that hinder the control will be useful in developing a sound strategy from the human angle, which can be put to practical use.

Study of Synchronisalion and Control of Chaos in Directly Modulated Semiconductor Lasers

Chaos is a subject oftopical interest and, studied in great detail in relation to its relevance in almost all branches of science, which include physical, chemical, and biological fields. Chaos in the literal sense signifies utter confusion, but the scientific community has differentiated chaos as deterministic chaos and white noise. Deterministic chaos implies the complex behaviour of systems, which are governed by deterministic laws. Behaviour of such systems often become unpredictable in the long run. This unpredictability arises from the sensitivity of the system to its initial conditions. The essential requirement for ‘sensitivity to initial condition’ is nonlinearity of the system. The only method for determining the future of such systems is numerically simulating its final state from a set ofinitial conditions. Synchronisation

Synthesis and characterisation of novel nitrogen and fluorine containing spirobifluorene derivatives for electronic applications and crystal engineering

Among organic materials, spirobifluorene derivatives represent a very attractive class of materials for electronic devices. These compounds have high melting points, glass transitions temperatures and morphological stability, which makes these materials suitable for organic electronic applications. In addition, some of spirobifluorenes can form porous supramolecular associations with significant volumes available for the inclusion of guests. These molecular associations based on the spirobifluorenes are noteworthy because they are purely molecular analogues of zeolites and other microporous solids, with potential applications in separation, catalysis, sensing and other areas.

Analysis and Control of Robot Manipulators with Kinematic Redundancy

A closed-form solution formula for the kinematic control of manipulators with redundancy is derived, using the Lagrangian multiplier method. Differential relationship equivalent to the Resolved Motion Method has been also derived. The proposed method is proved to provide with the exact equilibrium state for the Resolved Motion Method. This exactness in the proposed method fixes the repeatability problem in the Resolved Motion Method, and establishes a fixed transformation from workspace to the joint space. Also the method, owing to the exactness, is demonstrated to give more accurate trajectories than the Resolved Motion Method. In addition, a new performance measure for redundancy control has been developed. This measure, if used with kinematic control methods, helps achieve dexterous movements including singularity avoidance. Compared to other measures such as the manipulability measure and the condition number, this measure tends to give superior performances in terms of preserving the repeatability property and providing with smoother joint velocity trajectories. Using the fixed transformation property, Taylor's Bounded Deviation Paths Algorithm has been extended to the redundant manipulators.

Design and Control of a Closed-Loop Brushless Torque Actuator

This report explores the design and control issues associated with a brushless actuator capable of achieving extremely high torque accuracy. Models of several different motor - sensor configurations were studied to determine dynamic characteristics. A reaction torque sensor fixed to the motor stator was implemented to decouple the transmission dynamics from the sensor. This resulted in a compact actuator with higher bandwidth and precision than could be obtained with an inline or joint sensor. Testing demonstrated that closed-loop torque accuracy was within 0.1%, and the mechanical bandwidth approached 300 Hz.

Design and Control of an Anthropomorphic Robotic Finger with Multi-point Tactile Sensation

The goal of this research is to develop the prototype of a tactile sensing platform for anthropomorphic manipulation research. We investigate this problem through the fabrication and simple control of a planar 2-DOF robotic finger inspired by anatomic consistency, self-containment, and adaptability. The robot is equipped with a tactile sensor array based on optical transducer technology whereby localized changes in light intensity within an illuminated foam substrate correspond to the distribution and magnitude of forces applied to the sensor surface plane. The integration of tactile perception is a key component in realizing robotic systems which organically interact with the world. Such natural behavior is characterized by compliant performance that can initiate internal, and respond to external, force application in a dynamic environment. However, most of the current manipulators that support some form of haptic feedback either solely derive proprioceptive sensation or only limit tactile sensors to the mechanical fingertips. These constraints are due to the technological challenges involved in high resolution, multi-point tactile perception. In this work, however, we take the opposite approach, emphasizing the role of full-finger tactile feedback in the refinement of manual capabilities. To this end, we propose and implement a control framework for sensorimotor coordination analogous to infant-level grasping and fixturing reflexes. This thesis details the mechanisms used to achieve these sensory, actuation, and control objectives, along with the design philosophies and biological influences behind them. The results of behavioral experiments with a simple tactilely-modulated control scheme are also described. The hope is to integrate the modular finger into an %engineered analog of the human hand with a complete haptic system.