In silico prediction of human carboxylesterase-1 (hCES1) metabolism combining docking analyses and MD simulations.

Metabolic problems lead to numerous failures during clinical trials, and much effort is now devoted in developing in silico models predicting metabolic stability and metabolites. Such models are well known for cytochromes P450 and some transferases, whereas little has been done to predict the hydrolytic activity of human hydrolases. The present study was undertaken to develop a computational approach able to predict the hydrolysis of novel esters by human carboxylesterase hCES1. The study involves both docking analyses of known substrates to develop predictive models, and molecular dynamics (MD) simulations to reveal the in situ behavior of substrates and products, with particular attention being paid to the influence of their ionization state. The results emphasize some crucial properties of the hCES1 catalytic cavity, confirming that as a trend with several exceptions, hCES1 prefers substrates with relatively smaller and somewhat polar alkyl/aryl groups and larger hydrophobic acyl moieties. The docking results underline the usefulness of the hydrophobic interaction score proposed here, which allows a robust prediction of hCES1 catalysis, while the MD simulations show the different behavior of substrates and products in the enzyme cavity, suggesting in particular that basic substrates interact with the enzyme in their unprotonated form.

Sequencing and identification of expressed Schistosoma mansoni genes by random selection of cDNA clones from a directional library

We have initiated a gene discovery program in Schistosoma mansoni based on the technique of Expressed Sequence Tags (ESTs), i.e. partial sequences of cDNAs obtained from single passes in automatic DNA sequencers. ESTs can be used to identify genese onf the basis of their homology whith sequences from other species deposited in DNA or protein databases. Trasncripts with sequences without matches in teh databases may represent novel parasite-specific genes. This approach has shown to be very efficient and in less than two years a broad range of novel genes has already been ascertained, more than doubling the number of known S. mansoni genes.

Identification of species related to Anopheles (Nyssorhynchus) albitarsis by random amplified polymorphic DNA-Polymerase chain reaction (Diptera: Culicidae)

Species-specific Random Amplified Polymorphic DNA-Polymerase chain Reaction (RAPD-PCR) markers were used to identify four species related to Anopheles (Nyssorhynchus) albitarsis Lynch-Arribàlzaga from 12 sites in Brazil and 4 in Venezuela. In a previous study (Wilkerson et al. 1995), which included sites in Paraguay and Argentina, these four species were designated "A", "B", "C" and "D". It was hypothesized that species A is An. (Nys.) albitarsis, species B is undescribed, species C is An. (Nys) marajoara Galvão and Damasceno and species D is An. (Nys.) deaneorum Rosa-Freitas. Species D, previously characterized by RAPD-PCR from a small sample from northern Argentina and southern Brazil, is reported here from the type locality of An. (Nys.) deaneorum, Guajará-Mirim, state of Rondônia, Brazil. Species C and D were found by RAPD-PCR to be sympatric at Costa Marques, state of Rondônia, Brazil. Species A and C have yet to be encountered at the same locality. The RAPD markers for species C were found to be conserved over 4,620 km; from Iguape, state of São Paulo, Brazil to rio Socuavo, state of Zulia, Venezuela. RAPD-PCR was determined to be an effective means for the identification of unknown species within this species complex.

Experimentació a distància de la física per a enginyers (EDFE)

El laboratori de física és el lloc que permet apropar la Física i la seva realitat quotidiana, tant la tecnològica com la científica, a l'estudiantat mitjançant experiències i demostracions motivadores. En general, les pràctiques de laboratori se solen realitzar per parelles, encara que no necessàriament, propiciant un treball en equip. Ara bé, pensant en aquelles estudiantes i aquells estudiants que no poden seguir el calendari de sessions presencials establert, per raons justificables, s’ha generat un material docent innovador consistent en la filmació de vídeos d’algunes de les pràctiques que actualment s'estan duent a terme en el laboratori de Física de l'EPSEM. Les filmacions van acompanyades per uns tutorials que permeten introduir la pràctica i il·lustrar tots els conceptes teòrics que hi intervenen i algunes simulacions. A més, també hi ha disponible uns tests d'autoavaluació i d'avaluació que acreditin l'aprenentatge de l'estudiant. L’objectiu és procurar, a partir d’una experimentació virtual, minimitzar la manca d’adquisició d’algunes habilitats pròpies de l’experimentació real al laboratori. Els productes creats han estat inclosos en el web del Departament de Física Aplicada de la UPC a l'EPSEM, on es proporciona tot un conjunt d’eines i informacions pensades per facilitar una millor forma de treballar en un laboratori. En aquest web es poden trobar, les normes generals per a la realització de les pràctiques i per a l’elaboració dels informes preceptius, el guió i l’esquema del muntatge de cada experimentació, així com enllaços a webs relacionats amb la física, que poden resultar molt útils per a l’alumnat. El pas endavant que suposa el material desenvolupat, ampliable en un futur, és sens dubte una alternativa educativa complementaria per garantir una formació més integral de les nostres estudiantes i dels nostres estudiants, en correspondència amb l’esperit de fomentar l'autoaprenentatge que traspua el procés d'integració a l'EEES. Veure: http://www.epsem.upc.edu/~practiquesfisica/

Effect of Knotting on the Shape of Polymers

Momentary configurations of long polymers at thermal equilibrium usually deviate from spherical symmetry and can be better described, on average, by a prolate ellipsoid. The asphericity and nature of asphericity (or prolateness) that describe these momentary ellipsoidal shapes of a polymer are determined by specific expressions involving the three principal moments of inertia calculated for configurations of the polymer. Earlier theoretical studies and numerical simulations have established that as the length of the polymer increases, the average shape for the statistical ensemble of random configurations asymptotically approaches a characteristic universal shape that depends on the solvent quality. It has been established, however, that these universal shapes differ for linear, circular, and branched chains. We investigate here the effect of knotting on the shape of cyclic polymers modeled as random isosegmental polygons. We observe that random polygons forming different knot types reach asymptotic shapes that are distinct from the ensemble average shape. For the same chain length, more complex knots are, on average, more spherical than less complex knots.

Pseudomarkets with priorities in large random assignment economies

I study large random assignment economies with a continuum of agents and a finite number of object types. I consider the existence of weak priorities discriminating among agents with respect to their rights concerning the final assignment. The respect for priorities ex ante (ex-ante stability) usually precludes ex-ante envy-freeness. Therefore I define a new concept of fairness, called no unjustified lower chances: priorities with respect to one object type cannot justify different achievable chances regarding another object type. This concept, which applies to the assignment mechanism rather than to the assignment itself, implies ex-ante envy-freeness among agents of the same priority type. I propose a variation of Hylland and Zeckhauser' (1979) pseudomarket that meets ex-ante stability, no unjustified lower chances and ex-ante efficiency among agents of the same priority type. Assuming enough richness in preferences and priorities, the converse is also true: any random assignment with these properties could be achieved through an equilibrium in a pseudomarket with priorities. If priorities are acyclical (the ordering of agents is the same for each object type), this pseudomarket achieves ex-ante efficient random assignments.

THE USE OF SIMULATIONS IN EVOLUTIONARY POPULATION GENETICS: APPLICATIONS ON HUMANS, OWLS AND VIRTUAL ORGANISMS

Summary (in English) Computer simulations provide a practical way to address scientific questions that would be otherwise intractable. In evolutionary biology, and in population genetics in particular, the investigation of evolutionary processes frequently involves the implementation of complex models, making simulations a particularly valuable tool in the area. In this thesis work, I explored three questions involving the geographical range expansion of populations, taking advantage of spatially explicit simulations coupled with approximate Bayesian computation. First, the neutral evolutionary history of the human spread around the world was investigated, leading to a surprisingly simple model: A straightforward diffusion process of migrations from east Africa throughout a world map with homogeneous landmasses replicated to very large extent the complex patterns observed in real human populations, suggesting a more continuous (as opposed to structured) view of the distribution of modern human genetic diversity, which may play a better role as a base model for further studies. Second, the postglacial evolution of the European barn owl, with the formation of a remarkable coat-color cline, was inspected with two rounds of simulations: (i) determine the demographic background history and (ii) test the probability of a phenotypic cline, like the one observed in the natural populations, to appear without natural selection. We verified that the modern barn owl population originated from a single Iberian refugium and that they formed their color cline, not due to neutral evolution, but with the necessary participation of selection. The third and last part of this thesis refers to a simulation-only study inspired by the barn owl case above. In this chapter, we showed that selection is, indeed, effective during range expansions and that it leaves a distinguished signature, which can then be used to detect and measure natural selection in range-expanding populations. Résumé (en français) Les simulations fournissent un moyen pratique pour répondre à des questions scientifiques qui seraient inabordable autrement. En génétique des populations, l'étude des processus évolutifs implique souvent la mise en oeuvre de modèles complexes, et les simulations sont un outil particulièrement précieux dans ce domaine. Dans cette thèse, j'ai exploré trois questions en utilisant des simulations spatialement explicites dans un cadre de calculs Bayésiens approximés (approximate Bayesian computation : ABC). Tout d'abord, l'histoire de la colonisation humaine mondiale et de l'évolution de parties neutres du génome a été étudiée grâce à un modèle étonnement simple. Un processus de diffusion des migrants de l'Afrique orientale à travers un monde avec des masses terrestres homogènes a reproduit, dans une très large mesure, les signatures génétiques complexes observées dans les populations humaines réelles. Un tel modèle continu (opposé à un modèle structuré en populations) pourrait être très utile comme modèle de base dans l'étude de génétique humaine à l'avenir. Deuxièmement, l'évolution postglaciaire d'un gradient de couleur chez l'Effraie des clocher (Tyto alba) Européenne, a été examiné avec deux séries de simulations pour : (i) déterminer l'histoire démographique de base et (ii) tester la probabilité qu'un gradient phénotypique, tel qu'observé dans les populations naturelles puisse apparaître sans sélection naturelle. Nous avons montré que la population actuelle des chouettes est sortie d'un unique refuge ibérique et que le gradient de couleur ne peux pas s'être formé de manière neutre (sans l'action de la sélection naturelle). La troisième partie de cette thèse se réfère à une étude par simulations inspirée par l'étude de l'Effraie. Dans ce dernier chapitre, nous avons montré que la sélection est, en effet, aussi efficace dans les cas d'expansion d'aire de distribution et qu'elle laisse une signature unique, qui peut être utilisée pour la détecter et estimer sa force.

Application of a roughness-length representation to parameterize energy loss in 3-D numerical simulations of large rivers

Recent technological advances in remote sensing have enabled investigation of the morphodynamics and hydrodynamics of large rivers. However, measuring topography and flow in these very large rivers is time consuming and thus often constrains the spatial resolution and reach-length scales that can be monitored. Similar constraints exist for computational fluid dynamics (CFD) studies of large rivers, requiring maximization of mesh-or grid-cell dimensions and implying a reduction in the representation of bedform-roughness elements that are of the order of a model grid cell or less, even if they are represented in available topographic data. These ``subgrid'' elements must be parameterized, and this paper applies and considers the impact of roughness-length treatments that include the effect of bed roughness due to ``unmeasured'' topography. CFD predictions were found to be sensitive to the roughness-length specification. Model optimization was based on acoustic Doppler current profiler measurements and estimates of the water surface slope for a variety of roughness lengths. This proved difficult as the metrics used to assess optimal model performance diverged due to the effects of large bedforms that are not well parameterized in roughness-length treatments. However, the general spatial flow patterns are effectively predicted by the model. Changes in roughness length were shown to have a major impact upon flow routing at the channel scale. The results also indicate an absence of secondary flow circulation cells in the reached studied, and suggest simpler two-dimensional models may have great utility in the investigation of flow within large rivers. Citation: Sandbach, S. D. et al. (2012), Application of a roughness-length representation to parameterize energy loss in 3-D numerical simulations of large rivers, Water Resour. Res., 48, W12501, doi: 10.1029/2011WR011284.

Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

Growth in a Cross-Section of Cities: Location, Increasing Returns or Random Growth?

This article analyzes empirically the main existing theories on income and population city growth: increasing returns to scale, locational fundamentals and random growth. To do this we implement a threshold nonlinearity test that extends standard linear growth regression models to a dataset on urban, climatological and macroeconomic variables on 1,175 U.S. cities. Our analysis reveals the existence of increasing returns when per-capita income levels are beyond $19; 264. Despite this, income growth is mostly explained by social and locational fundamentals. Population growth also exhibits two distinct equilibria determined by a threshold value of 116,300 inhabitants beyond which city population grows at a higher rate. Income and population growth do not go hand in hand, implying an optimal level of population beyond which income growth stagnates or deteriorates

Random mating with a finite number of matings.

Random mating is the null model central to population genetics. One assumption behind random mating is that individuals mate an infinite number of times. This is obviously unrealistic. Here we show that when each female mates a finite number of times, the effective size of the population is substantially decreased.

Hierarchical conditional random fields for parts based models matching

A parts based model is a parametrization of an object class using a collection of landmarks following the object structure. The matching of parts based models is one of the problems where pairwise Conditional Random Fields have been successfully applied. The main reason of their effectiveness is tractable inference and learning due to the simplicity of involved graphs, usually trees. However, these models do not consider possible patterns of statistics among sets of landmarks, and thus they sufffer from using too myopic information. To overcome this limitation, we propoese a novel structure based on a hierarchical Conditional Random Fields, which we explain in the first part of this memory. We build a hierarchy of combinations of landmarks, where matching is performed taking into account the whole hierarchy. To preserve tractable inference we effectively sample the label set. We test our method on facial feature selection and human pose estimation on two challenging datasets: Buffy and MultiPIE. In the second part of this memory, we present a novel approach to multiple kernel combination that relies on stacked classification. This method can be used to evaluate the landmarks of the parts-based model approach. Our method is based on combining responses of a set of independent classifiers for each individual kernel. Unlike earlier approaches that linearly combine kernel responses, our approach uses them as inputs to another set of classifiers. We will show that we outperform state-of-the-art methods on most of the standard benchmark datasets.