Assessing sequence comparison methods with reliable structurally identified distant evolutionary relationships

Pairwise sequence comparison methods have been assessed using proteins whose relationships are known reliably from their structures and functions, as described in the scop database [Murzin, A. G., Brenner, S. E., Hubbard, T. & Chothia C. (1995) J. Mol. Biol. 247, 536–540]. The evaluation tested the programs blast [Altschul, S. F., Gish, W., Miller, W., Myers, E. W. & Lipman, D. J. (1990). J. Mol. Biol. 215, 403–410], wu-blast2 [Altschul, S. F. & Gish, W. (1996) Methods Enzymol. 266, 460–480], fasta [Pearson, W. R. & Lipman, D. J. (1988) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85, 2444–2448], and ssearch [Smith, T. F. & Waterman, M. S. (1981) J. Mol. Biol. 147, 195–197] and their scoring schemes. The error rate of all algorithms is greatly reduced by using statistical scores to evaluate matches rather than percentage identity or raw scores. The E-value statistical scores of ssearch and fasta are reliable: the number of false positives found in our tests agrees well with the scores reported. However, the P-values reported by blast and wu-blast2 exaggerate significance by orders of magnitude. ssearch, fasta ktup = 1, and wu-blast2 perform best, and they are capable of detecting almost all relationships between proteins whose sequence identities are >30%. For more distantly related proteins, they do much less well; only one-half of the relationships between proteins with 20–30% identity are found. Because many homologs have low sequence similarity, most distant relationships cannot be detected by any pairwise comparison method; however, those which are identified may be used with confidence.

Innovative analytical strategies for the development of sensor devices and mass spectrometry methods

Il lavoro presentato in questa tesi di Dottorato è incentrato sullo sviluppo di strategie analitiche innovative basate sulla sensoristica e su tecniche di spettrometria di massa in ambito biologico e della sicurezza alimentare. Il primo capitolo tratta lo studio di aspetti metodologici ed applicativi di procedure sensoristiche per l’identificazione e la determinazione di biomarkers associati alla malattia celiaca. In tale ambito, sono stati sviluppati due immunosensori, uno a trasduzione piezoelettrica e uno a trasduzione amperometrica, per la rivelazione di anticorpi anti-transglutaminasi tissutale associati a questa malattia. L’innovazione di questi dispositivi riguarda l’immobilizzazione dell’enzima tTG nella conformazione aperta (Open-tTG), che è stato dimostrato essere quella principalmente coinvolta nella patogenesi. Sulla base dei risultati ottenuti, entrambi i sistemi sviluppati si sono dimostrati una valida alternativa ai test di screening attualmente in uso per la diagnosi della celiachia. Rimanendo sempre nel contesto della malattia celiaca, ulteriore ricerca oggetto di questa tesi di Dottorato, ha riguardato lo sviluppo di metodi affidabili per il controllo di prodotti “gluten-free”. Il secondo capitolo tratta lo sviluppo di un metodo di spettrometria di massa e di un immunosensore competitivo per la rivelazione di prolammine in alimenti “gluten-free”. E’ stato sviluppato un metodo LC-ESI-MS/MS basato su un’analisi target con modalità di acquisizione del segnale selected reaction monitoring per l’identificazione di glutine in diversi cereali potenzialmente tossici per i celiaci. Inoltre ci si è focalizzati su un immunosensore competitivo per la rivelazione di gliadina, come metodo di screening rapido di farine. Entrambi i sistemi sono stati ottimizzati impiegando miscele di farina di riso addizionata di gliadina, avenine, ordeine e secaline nel caso del sistema LC-MS/MS e con sola gliadina nel caso del sensore. Infine i sistemi analitici sono stati validati analizzando sia materie prime (farine) che alimenti (biscotti, pasta, pane, etc.). L’approccio sviluppato in spettrometria di massa apre la strada alla possibilità di sviluppare un test di screening multiplo per la valutazione della sicurezza di prodotti dichiarati “gluten-free”, mentre ulteriori studi dovranno essere svolti per ricercare condizioni di estrazione compatibili con l’immunosaggio competitivo, per ora applicabile solo all’analisi di farine estratte con etanolo. Terzo capitolo di questa tesi riguarda lo sviluppo di nuovi metodi per la rivelazione di HPV, Chlamydia e Gonorrhoeae in fluidi biologici. Si è scelto un substrato costituito da strips di carta in quanto possono costituire una valida piattaforma di rivelazione, offrendo vantaggi grazie al basso costo, alla possibilità di generare dispositivi portatili e di poter visualizzare il risultato visivamente senza la necessità di strumentazioni. La metodologia sviluppata è molto semplice, non prevede l’uso di strumentazione complessa e si basa sull’uso della isothermal rolling-circle amplification per l’amplificazione del target. Inoltre, di fondamentale importanza, è l’utilizzo di nanoparticelle colorate che, essendo state funzionalizzate con una sequenza di DNA complementare al target amplificato derivante dalla RCA, ne permettono la rivelazione a occhio nudo mediante l’uso di filtri di carta. Queste strips sono state testate su campioni reali permettendo una discriminazione tra campioni positivi e negativi in tempi rapidi (10-15 minuti), aprendo una nuova via verso nuovi test altamente competitivi con quelli attualmente sul mercato.

Determination of absorption curves, dissolution profiles and establishment of in vitro-in vivo correlation by in silico methods using GastroPlusTM and DDDPlusTM

The use of computer programs to predict drug absorption in humans and to simulate dissolution profiles has become a valuable tool in the pharmaceutical area. The objective of this study was to use in silico methods through software GastroPlusTM and DDDPlusTM to simulate drug absorption curves and dissolution profiles, and to establish in vitro-in vivo correlations (IVIVCs). The work presented herein is divided into five chapters and includes the drugs ketoprofen, pyrimethamine, metronidazole, fluconazole, carvedilol and doxazosin. In Chapter 1, simulated plasma curves for ketoprofen matrix tablets are presented and IVIVC was established. The use of simulated intrinsic dissolution tests for pyrimethamine and metronidazole as a tool for biopharmaceutics classification is detailed in Chapter 2. In Chapter 3, simulation of plasma curves for fluconazole capsules with different dissolution profiles is demonstrated as a tool for biowaiver. IVIVC studies were also conducted for carvedilol immediate-release tablets from dissolution profiles in Chapter 4. Chapter 5 covers the application of simulated dissolution tests for development of doxazosin extended-release formulations. Simulation of plasma curves and IVIVC using the software GastroPlusTM as well as intrinsic dissolution tests and dissolution profiles using the software DDDPlusTM proved to be a tool of wide application in predicting biopharmaceutical characteristics of drugs and formulations, allowing the reduction of time and costs of experimental laboratory work.

Models and methods for the direct simulation of rough and micropatterned surfaces

Friction in hydrodynamic bearings are a major source of losses in car engines ([69]). The extreme loading conditions in those bearings lead to contact between the matching surfaces. In such conditions not only the overall geometry of the bearing is relevant, but also the small-scale topography of the surface determines the bearing performance. The possibility of shaping the surface of lubricated bearings down to the micrometer ([57]) opened the question of whether friction can be reduced by mean of micro-textures, with mixed results. This work focuses in the development of efficient numerical methods to solve thin film (lubrication) problems down to the roughness scale of measured surfaces. Due to the high velocities and the convergent-divergent geometries of hydrodynamic bearings, cavitation takes place. To treat cavitation in the lubrication problem the Elrod- Adams model is used, a mass-conserving model which has proven in careful numerical ([12]) and experimental ([119]) tests to be essential to obtain physically meaningful results. Another relevant aspect of the modeling is that the bearing inertial effects are considered, which is necessary to correctly simulate moving textures. As an application, the effects of micro-texturing the moving surface of the bearing were studied. Realistic values are assumed for the physical parameters defining the problems. Extensive fundamental studies were carried out in the hydrodynamic lubrication regime. Mesh-converged simulations considering the topography of real measured surfaces were also run, and the validity of the lubrication approximation was assessed for such rough surfaces.

Ventilated Stone Veneer: Mechanical Behaviour, Calculation Methodologies, Major Pathologies and Existing Tests

The increase of building pathologies related to the use of stone materials and the use of ventilated stone veneers, requires the reformulation of design concepts in building façades and also the reformulation of the architectural project. The aim of this paper is to identify, analyze and evaluate synthetically building pathologies in stone ventilated façades in order to obtain the main technical conditions to be considered in the architectural design, by interpreting its mechanical behavior and capabilities to prevent such pathologies and to ensure the proper features during the building lifetime. The methodology is based on both laboratory stone tests and in situ tests about construction systems, by analyzing physical and mechanical behavior of the outer layer in relation to other building requirements. The results imply the need of proper sizing, specific quality control and practical application of calculation methods, to control high concentration pressures in ventilated façades by reaching appropriate project solutions. In conclusion, the research about different pathologies of stone ventilated façades, the study of their mechanical behavior, their anchorage and their connection with their constructive aspects, will help to improve the construction quality of the stone ventilated façade in buildings and to enhance the use of natural stone in modern architecture.

Computational Methods for Identifying Hypertrophic Cardiomyopathy using 12-lead ECG

Hypertrophic cardiomyopathy (HCM) is a cardiovascular disease where the heart muscle is partially thickened and blood flow is - potentially fatally - obstructed. It is one of the leading causes of sudden cardiac death in young people. Electrocardiography (ECG) and Echocardiography (Echo) are the standard tests for identifying HCM and other cardiac abnormalities. The American Heart Association has recommended using a pre-participation questionnaire for young athletes instead of ECG or Echo tests due to considerations of cost and time involved in interpreting the results of these tests by an expert cardiologist. Initially we set out to develop a classifier for automated prediction of young athletes’ heart conditions based on the answers to the questionnaire. Classification results and further in-depth analysis using computational and statistical methods indicated significant shortcomings of the questionnaire in predicting cardiac abnormalities. Automated methods for analyzing ECG signals can help reduce cost and save time in the pre-participation screening process by detecting HCM and other cardiac abnormalities. Therefore, the main goal of this dissertation work is to identify HCM through computational analysis of 12-lead ECG. ECG signals recorded on one or two leads have been analyzed in the past for classifying individual heartbeats into different types of arrhythmia as annotated primarily in the MIT-BIH database. In contrast, we classify complete sequences of 12-lead ECGs to assign patients into two groups: HCM vs. non-HCM. The challenges and issues we address include missing ECG waves in one or more leads and the dimensionality of a large feature-set. We address these by proposing imputation and feature-selection methods. We develop heartbeat-classifiers by employing Random Forests and Support Vector Machines, and propose a method to classify full 12-lead ECGs based on the proportion of heartbeats classified as HCM. The results from our experiments show that the classifiers developed using our methods perform well in identifying HCM. Thus the two contributions of this thesis are the utilization of computational and statistical methods for discovering shortcomings in a current screening procedure and the development of methods to identify HCM through computational analysis of 12-lead ECG signals.

Sur les tests lisses d'ajustement dans le context des series chronologiques

La plupart des modèles en statistique classique repose sur une hypothèse sur la distribution des données ou sur une distribution sous-jacente aux données. La validité de cette hypothèse permet de faire de l’inférence, de construire des intervalles de confiance ou encore de tester la fiabilité du modèle. La problématique des tests d’ajustement vise à s’assurer de la conformité ou de la cohérence de l’hypothèse avec les données disponibles. Dans la présente thèse, nous proposons des tests d’ajustement à la loi normale dans le cadre des séries chronologiques univariées et vectorielles. Nous nous sommes limités à une classe de séries chronologiques linéaires, à savoir les modèles autorégressifs à moyenne mobile (ARMA ou VARMA dans le cas vectoriel). Dans un premier temps, au cas univarié, nous proposons une généralisation du travail de Ducharme et Lafaye de Micheaux (2004) dans le cas où la moyenne est inconnue et estimée. Nous avons estimé les paramètres par une méthode rarement utilisée dans la littérature et pourtant asymptotiquement efficace. En effet, nous avons rigoureusement montré que l’estimateur proposé par Brockwell et Davis (1991, section 10.8) converge presque sûrement vers la vraie valeur inconnue du paramètre. De plus, nous fournissons une preuve rigoureuse de l’inversibilité de la matrice des variances et des covariances de la statistique de test à partir de certaines propriétés d’algèbre linéaire. Le résultat s’applique aussi au cas où la moyenne est supposée connue et égale à zéro. Enfin, nous proposons une méthode de sélection de la dimension de la famille d’alternatives de type AIC, et nous étudions les propriétés asymptotiques de cette méthode. L’outil proposé ici est basé sur une famille spécifique de polynômes orthogonaux, à savoir les polynômes de Legendre. Dans un second temps, dans le cas vectoriel, nous proposons un test d’ajustement pour les modèles autorégressifs à moyenne mobile avec une paramétrisation structurée. La paramétrisation structurée permet de réduire le nombre élevé de paramètres dans ces modèles ou encore de tenir compte de certaines contraintes particulières. Ce projet inclut le cas standard d’absence de paramétrisation. Le test que nous proposons s’applique à une famille quelconque de fonctions orthogonales. Nous illustrons cela dans le cas particulier des polynômes de Legendre et d’Hermite. Dans le cas particulier des polynômes d’Hermite, nous montrons que le test obtenu est invariant aux transformations affines et qu’il est en fait une généralisation de nombreux tests existants dans la littérature. Ce projet peut être vu comme une généralisation du premier dans trois directions, notamment le passage de l’univarié au multivarié ; le choix d’une famille quelconque de fonctions orthogonales ; et enfin la possibilité de spécifier des relations ou des contraintes dans la formulation VARMA. Nous avons procédé dans chacun des projets à une étude de simulation afin d’évaluer le niveau et la puissance des tests proposés ainsi que de les comparer aux tests existants. De plus des applications aux données réelles sont fournies. Nous avons appliqué les tests à la prévision de la température moyenne annuelle du globe terrestre (univarié), ainsi qu’aux données relatives au marché du travail canadien (bivarié). Ces travaux ont été exposés à plusieurs congrès (voir par exemple Tagne, Duchesne et Lafaye de Micheaux (2013a, 2013b, 2014) pour plus de détails). Un article basé sur le premier projet est également soumis dans une revue avec comité de lecture (Voir Duchesne, Lafaye de Micheaux et Tagne (2016)).

MGOF: Stata module to perform goodness-of-fit tests for multinomial data

mgof computes goodness-of-fit tests for the distribution of a discrete (categorical, multinomial) variable. The default is to perform classical large sample chi-squared approximation tests based on Pearson's X2 statistic and the log likelihood ratio (G2) statistic or a statistic from the Cressie-Read family. Alternatively, mgof computes exact tests using Monte Carlo methods or exhaustive enumeration. A Kolmogorov-Smirnov test for discrete data is also provided. The moremata package, also available from SSC, is required.

Multinomial goodness-of-fit: large sample tests with survey design correction and exact tests for small samples

A new Stata command called -mgof- is introduced. The command is used to compute distributional tests for discrete (categorical, multinomial) variables. Apart from classic large sample $\chi^2$-approximation tests based on Pearson's $X^2$, the likelihood ratio, or any other statistic from the power-divergence family (Cressie and Read 1984), large sample tests for complex survey designs and exact tests for small samples are supported. The complex survey correction is based on the approach by Rao and Scott (1981) and parallels the survey design correction used for independence tests in -svy:tabulate-. The exact tests are computed using Monte Carlo methods or exhaustive enumeration. An exact Kolmogorov-Smirnov test for discrete data is also provided.

Sur les tests lisses d'ajustement dans le context des series chronologiques

La plupart des modèles en statistique classique repose sur une hypothèse sur la distribution des données ou sur une distribution sous-jacente aux données. La validité de cette hypothèse permet de faire de l’inférence, de construire des intervalles de confiance ou encore de tester la fiabilité du modèle. La problématique des tests d’ajustement vise à s’assurer de la conformité ou de la cohérence de l’hypothèse avec les données disponibles. Dans la présente thèse, nous proposons des tests d’ajustement à la loi normale dans le cadre des séries chronologiques univariées et vectorielles. Nous nous sommes limités à une classe de séries chronologiques linéaires, à savoir les modèles autorégressifs à moyenne mobile (ARMA ou VARMA dans le cas vectoriel). Dans un premier temps, au cas univarié, nous proposons une généralisation du travail de Ducharme et Lafaye de Micheaux (2004) dans le cas où la moyenne est inconnue et estimée. Nous avons estimé les paramètres par une méthode rarement utilisée dans la littérature et pourtant asymptotiquement efficace. En effet, nous avons rigoureusement montré que l’estimateur proposé par Brockwell et Davis (1991, section 10.8) converge presque sûrement vers la vraie valeur inconnue du paramètre. De plus, nous fournissons une preuve rigoureuse de l’inversibilité de la matrice des variances et des covariances de la statistique de test à partir de certaines propriétés d’algèbre linéaire. Le résultat s’applique aussi au cas où la moyenne est supposée connue et égale à zéro. Enfin, nous proposons une méthode de sélection de la dimension de la famille d’alternatives de type AIC, et nous étudions les propriétés asymptotiques de cette méthode. L’outil proposé ici est basé sur une famille spécifique de polynômes orthogonaux, à savoir les polynômes de Legendre. Dans un second temps, dans le cas vectoriel, nous proposons un test d’ajustement pour les modèles autorégressifs à moyenne mobile avec une paramétrisation structurée. La paramétrisation structurée permet de réduire le nombre élevé de paramètres dans ces modèles ou encore de tenir compte de certaines contraintes particulières. Ce projet inclut le cas standard d’absence de paramétrisation. Le test que nous proposons s’applique à une famille quelconque de fonctions orthogonales. Nous illustrons cela dans le cas particulier des polynômes de Legendre et d’Hermite. Dans le cas particulier des polynômes d’Hermite, nous montrons que le test obtenu est invariant aux transformations affines et qu’il est en fait une généralisation de nombreux tests existants dans la littérature. Ce projet peut être vu comme une généralisation du premier dans trois directions, notamment le passage de l’univarié au multivarié ; le choix d’une famille quelconque de fonctions orthogonales ; et enfin la possibilité de spécifier des relations ou des contraintes dans la formulation VARMA. Nous avons procédé dans chacun des projets à une étude de simulation afin d’évaluer le niveau et la puissance des tests proposés ainsi que de les comparer aux tests existants. De plus des applications aux données réelles sont fournies. Nous avons appliqué les tests à la prévision de la température moyenne annuelle du globe terrestre (univarié), ainsi qu’aux données relatives au marché du travail canadien (bivarié). Ces travaux ont été exposés à plusieurs congrès (voir par exemple Tagne, Duchesne et Lafaye de Micheaux (2013a, 2013b, 2014) pour plus de détails). Un article basé sur le premier projet est également soumis dans une revue avec comité de lecture (Voir Duchesne, Lafaye de Micheaux et Tagne (2016)).

Performance tests for the evaluation of computerized gas chromatography/mass spectrometry equipment and laboratories /

"April 1980"--Cover.

Methods for estimating expected blood alcohol concentration. Part II. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

Highway safety: reliability and validity of DOT crash tests.

Mode of access: Internet.

Evaluation of design analysis procedures and acceptance criteria for roadside hardware. Volume III - evaluating pre-report 230 crash tests. Final report.

Federal Highway Administration, Safety Design Division, McLean, Va.

Methods for estimating expected blood alcohol concentration. Part 1. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.