Understanding the two-component sensing System of virulent bacteria

Report for the scientific sojourn carried out at the l’ Institute for Computational Molecular Science of the Temple University, United States, from 2010 to 2012. Two-component systems (TCS) are used by pathogenic bacteria to sense the environment within a host and activate mechanisms related to virulence and antimicrobial resistance. A prototypical example is the PhoQ/PhoP system, which is the major regulator of virulence in Salmonella. Hence, PhoQ is an attractive target for the design of new antibiotics against foodborne diseases. Inhibition of the PhoQ-mediated bacterial virulence does not result in growth inhibition, presenting less selective pressure for the generation of antibiotic resistance. Moreover, PhoQ is a histidine kinase (HK) and it is absent in animals. Nevertheless, the design of satisfactory HK inhibitors has been proven to be a challenge. To compete with the intracellular ATP concentrations, the affinity of a HK inhibidor must be in the micromolar-nanomolar range, whereas the current lead compounds have at best millimolar affinities. Moreover, the drug selectivity depends on the conformation of a highly variable loop, referred to as the “ATP-lid, which is difficult to study by X-Ray crystallography due to its flexibility. I have investigated the binding of different HK inhibitors to PhoQ. In particular, all-atom molecular dynamics simulations have been combined with enhanced sampling techniques in order to provide structural and dynamic information of the conformation of the ATP-lid. Transient interactions between these drugs and the ATP-lid have been identified and the free energy of the different binding modes has been estimated. The results obtained pinpoint the importance of protein flexibility in the HK-inhibitor binding, and constitute a first step in developing more potent and selective drugs. The computational resources of the hosting institution as well as the experience of the members of the group in drug binding and free energy methods have been crucial to carry out this work.

Neogene antecedents of the modern human hand and its relation to bipedalism

El present projecte s'ha dut a terme a l'American Museum of Natural History (AMNH, New York) entre el 31 de Desembre de 2010 i el 30 de Desembre de 2012. L'objectiu del projecte era elucidar la història evolutiva de la mà humana: traçar els canvis evolutius en la seva forma i proporcions que van propiciar la seva estructura moderna que permet als humans manipular amb precisió. El treball realitzat ha inclòs recol•lecció de dades i anàlisis, redacció de resultats i formació en mètodes analítics específics. Durant aquest temps, l'autor a completat la seva de base de dades existent en mesures lineals de la mà a hominoides. També s'han agafat dades del peu; d'aquesta forma ara mateix es compta amb una base de dades amb més de 500 individus, amb més de 200 mesures per cada un. També s'han agafat dades en tres imensions utilitzant un làser escàner. S'han après tècniques de morfometria geomètrica 3D directament dels pioners al camp a l'AMNH. Com a resultat d'aquesta feina s'han produït 10 resums (publicats a congressos internacionals) i 9 manuscrits (molts d'ells ja publicats a revistes internacionals) amb resultats de gran rellevància: La mà humana posseeix unes proporcions relativament primitives, que són més similars a les proporciones que tenien els hominoides fòssils del Miocè que no pas a la dels grans antropomorfs actuals. Els darrers tenen unes mans allargades amb un polzes molt curts que reflexen l'ús de la mà com a eina de suspensió sota les branques. En canvi, els hominoides del Miocè tenien unes mans relativament curtes amb un polze llarg que feien servir per estabilitzar el seu pes quan caminaven per sobre de les branques. Una vegada els primers homínids van aparèixer al final del Miocè (fa uns 6 Ma) i van començar a fer servir el bipedisme com a mitjà més comú de locomoció, les seves mans van ser "alliberades" de les seves funcions locomotores. La selecció natural—ara només treballant en la manipulació—va convertir les proporcions ja existents de la mà d'aquests primats en l'òrgan manipulatori que representa la mà humana avui dia.

Estudi de la regulació del procés de formació de la fusta per a l’obtenció de biomassa i biocombustibles: el paper clau de dos factors de transcripció MYB amb funcions antagòniques

Estudi realitzat a partir d’una estada al Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales - Université Toulouse III, entre 2010 i 2012. Durant l’estada s’han pogut complir els principals objectius del projecte de recerca sobre la regulació de la formació de les parets secundàries en un arbre d’importància econòmica, l’eucaliptus. S’ha caracteritzat dos factors de transcripció, EgMYB1 i 2, comparant el seu patró d’expressió espaciotemporal a nivell cel•lular i estudiant l’efecte fenotípic de la pèrdua de funció d’aquests gens. A més, s’ha construït una llibreria de xilema d’eucaliptus adaptada a la tècnica dels dos híbrids i s’ha descobert alguns del partners proteics d’EgMYB1 i 2, els quals estic actualment validant per mètodes alternatius. Augmentant els objectius inicials de la sol•licitud, he aprofitat la recent publicació del genoma de l’Eucalyptus grandis per identificar i caracteritzar el patró d’expressió de vàries famílies gèniques.

Desenvolupament de programari per a la compressió d'imatges utilitzant els wavelets com a alternativa a la transformada del cosinus

L'objectiu que es persegueix en aquest treball és el d'aprofundir en el món de les tecnologies emprades en la compressió d'imatges. S'introdueixen els conceptes més elementals per així donar un repàs als diferents mètodes tecnològics que s'utilitzen per a la compressió, mirant en detall un dels estàndards més utilitzats en l'actualitat, el JPEG.

Estudi teòric de nanotubs de nitrur de bor d'interès biomèdic

La integració dels materials biocompatibles en la nanotecnologia ha permès aquesta àrea tenir aplicacions en els camps de la biologia i la medicina, un fet que ha donat lloc a l'aparició de la nanobiotecnologia. La gran majoria d'aquestes aplicacions es basen en un aspecte fonamental: la interacció que es dóna entre els constituents biològics (normalment proteïnes) i els materials biocompatibles. Els nanotubs de carboni presenten una citotoxicitat inherent, mentre que els de nitrur de bor (BNNTs), isòsters amb els de carboni, són inherentment no-citotòxics i mostren una afinitat natural per les proteïnes. En aquesta memòria es presenten els resultats obtinguts de la interacció de BNNTs amb constituents bàsics biomoleculars (molècules que representen grups funcionals i aminoàcids) en absència de solvent mitjançant tècniques de modelatge i càlculs químic-quàntics amb tractament periòdic realitzats amb el codi CRYSTAL09. En primer lloc, s'ha trobat que els mètodes DFT basats en el GGA donen valors de band gap excessivament baixos (2.7 - 4.6 eV) comparat amb el valor experimental (5.5 eV), mentre que el funcional híbrid B3LYP dóna bons valors de band gap, el més acurat essent un BNNT amb índex (9,0), (5.4 eV). S'ha determinat que la interacció de BNNTs amb molècules pot venir guiat per: i) interaccions datives amb el B; ii) enllaç d'H amb el N; iii) interaccions pi-stacking. Les dues primeres forces d'interacció es veuen afavorides en BNNTs de radi petit, els quals interaccionen molt favorablement amb molècules polars, mentre que les terceres es veuen afavorides en BNNTs de radi gran, els quals interaccionen molt favorablement amb sistemes aromàtics o que continguin dobles enllaços. S'ha estudiat la interacció de BNNTs(6,0) amb molècules que contenen grups funcionals presents en residus aminoàcids i s'ha establert una escala d'afinitats relativa, la qual indica que tenen la major interacció aquelles molècules que estableixen interaccions datives B(nanotub)-N(molècula), seguit d’aquelles molècules que poden establir interaccions de tipus pi-stacking, i acabant amb aquelles molècules que estableixen interaccions datives B(nanotub)-O(molècula). Per últim s'ha estudiat la interacció de BNNTs amb diferents aminoàcids (glicina, lisina, àcid glutàmic i fenilalanina) i s'ha establert una escala d'afinitats relativa, la qual està d'acord amb les tendències observades per les molècules que contenen grups funcionals de residus aminoàcids.

Identifying protein-coding genes in genomic sequences

The vast majority of the biology of a newly sequenced genome is inferred from the set of encoded proteins. Predicting this set is therefore invariably the first step after the completion of the genome DNA sequence. Here we review the main computational pipelines used to generate the human reference protein-coding gene sets.

Comparative gene finding in chicken indicates that we are closing in on the set of multi-exonic widely-expressed human genes

The recent availability of the chicken genome sequence poses the question of whether there are human protein-coding genes conserved in chicken that are currently not included in the human gene catalog. Here, we show, using comparative gene finding followed by experimental verification of exon pairs by RT–PCR, that the addition to the multi-exonic subset of this catalog could be as little as 0.2%, suggesting that we may be closing in on the human gene set. Our protocol, however, has two shortcomings: (i) the bioinformatic screening of the predicted genes, applied to filter out false positives, cannot handle intronless genes; and (ii) the experimental verification could fail to identify expression at a specific developmental time. This highlights the importance of developing methods that could provide a reliable estimate of the number of these two types of genes.

Gene finding in the chicken genome

Background: Despite the continuous production of genome sequence for a number of organisms,reliable, comprehensive, and cost effective gene prediction remains problematic. This is particularlytrue for genomes for which there is not a large collection of known gene sequences, such as therecently published chicken genome. We used the chicken sequence to test comparative andhomology-based gene-finding methods followed by experimental validation as an effective genomeannotation method.Results: We performed experimental evaluation by RT-PCR of three different computational genefinders, Ensembl, SGP2 and TWINSCAN, applied to the chicken genome. A Venn diagram wascomputed and each component of it was evaluated. The results showed that de novo comparativemethods can identify up to about 700 chicken genes with no previous evidence of expression, andcan correctly extend about 40% of homology-based predictions at the 5' end.Conclusions: De novo comparative gene prediction followed by experimental verification iseffective at enhancing the annotation of the newly sequenced genomes provided by standardhomology-based methods.

Transcription factor map alignment of promoter regions

We address the problem of comparing and characterizing the promoter regions of genes with similar expression patterns. This remains a challenging problem in sequence analysis, because often the promoter regions of co-expressed genes do not show discernible sequence conservation. In our approach, thus, we have not directly compared the nucleotide sequence of promoters. Instead, we have obtained predictions of transcription factor binding sites, annotated the predicted sites with the labels of the corresponding binding factors, and aligned the resulting sequences of labels—to which we refer here as transcription factor maps (TF-maps). To obtain the global pairwise alignment of two TF-maps, we have adapted an algorithm initially developed to align restriction enzyme maps. We have optimized the parameters of the algorithm in a small, but well-curated, collection of human–mouse orthologous gene pairs. Results in this dataset, as well as in an independent much larger dataset from the CISRED database, indicate that TF-map alignments are able to uncover conserved regulatory elements, which cannot be detected by the typical sequence alignments.

Estudi pilot d'identificació de parlants amb finalitat forense

Aquest working paper és un estudi preliminar que té com a objectiu analitzar acústicament diverses variables fonètiques amb la finalitat forense d'identificació de parlants: les freqüències dels dos primers formants de la vocal [ə] quan s'utilitza com a falca, la duració dels segments [m] tenint en compte el context sil·làbic i, finalment, l'estudi dels pics de freqüències en les fricatives estridents sordes -[s]- utilitzant l'anàlisi LPC. Els resultats revelen diferències estadísticament significatives entre els parlants.

Los Vocabularios de definición en los diccionarios de aprendizaje

Aquest article intenta examinar la importància d'un tipus determinat d'obra lexicogràfica per a usuaris estrangers: els diccionaris d'aprenentatge, els quals s'han de caracteritzar bàsicament per una transmissió dels significats assequible. El material recollit pretén repassar el contingut d'aquestes publicacions a la tradició anglosaxona i il·lustrar l'estadi inicial de la pràctica castellana a partir dels mètodes lexicogràfics que existeixen actualment des d'aquest punt de vista. Els resultats d'aquests estudis permeten valorar la importància de la compilació dels vocabularis de definició per intentar potenciar la branca de la lexicografia com a ajuda a la pràctica didàctica de l'aprenentatge de l'espanyol com a segona llengua.

Voice Transformations for Extreme Vocal Effects

Extreme Vocal Effects (EVE) in music are so recent that few studies have been carried out about how they are physiologically produced and whether they are harmful or not for the human voice.Voice Transformations in real-time are possible nowadays thanks to new technologies and voice processing algorithms. This Master's Thesis pretends to define and classify these new singing techniques and to create a mapping between the physiological aspect of each EVE to its relative spectrumvariations.Voice Transformation Models based on these mappings are proposed and discussed for each one of these EVEs. We also discuss different transformation methods and strategies in order to obtain better results.A subjective evaluation of the results of the transformations is also presented and discussed along with further work, improvements, and working lines on this field.

Extracción de características para la clasificación de estados cognitivos a partir de imágenes FMRI

L’estudi de les funcions cerebrals humanes s’ha incrementat enormement durant els últims anys donada l’aparició de les imatges funcionals de ressonància magnètica (FMRI). Mentre que la tècnica s’ha emprat principalment en la localització de diferents funcions cerebrals, el problema de classificació d’estats cognitius ha estat poc explorat. L’estudi d’aquest problemaés important perquè pot servir com a eina per a detectar i seguir processoscognitius (seqüències d’estats cognitius) amb la finalitat de diagnosticarproblemes en el moment d’executar una tasca complexa.En aquest treball s’investiguen diferents aproximacions per a detectar l’estat cognitiu d’una persona prenent com a base la seva imatge de ressonància magnètica. En particular, s’han investigat varis mecanismes de sel·lecció de característiques així com mètodes d’aprenentatge automàtic pelproblema de la discriminació d’estats cognitius procedents d’estimuls auditius.Es presenten els resultats d’un estudi sobre estímuls musicals.

Classificació de sons percussius amb un model generatiu

El treball que presentem a continuació desenvolupa un marc teòric i pràctic per a l'avaluació i estudi d'un model generatiu aplicat a tasques discriminatives de senyals sonores sense component harmònica. El model generatiu està basat en la construcció de l'anomenada deep belief network, un tipus de xarxa neuronal generativa que permet realitzar tasques de classificació i regressió com també de reconstrucció dels seus estats interns.A partir de l'anàlisi realitzada hem pogut obtenir resultats en classificació aparellats amb els resultats de l'estat de l'art de classificadors de sons inharmònics. Tot i no establir una clara superioritat envers altres mètodes, el present treball ha permés desenvolupar una anàlisi per almodel avaluat amb moltes possibilitats de millora en un futur per altres treballs. Al llarg del treball es demostra la seva eficàcia en tasques discriminatives, com també la capacitat de reduir la dimensionalitat de les dades d'entrada al model i les possibilitats de reconstruir els seus estats interns per a obtenir unes sortides de dades de la xarxa similars a les entrades de descriptors.El desenvolupament centrat en la deep belief network ens ha permés construir un entorn unificat d'avaluació de diferents mètodes d'aprenentatge, construcció i adequació de diferents descriptors sonors i una posterior visualització d'estats interns del mateix, que han possibilitat una avaluaciócomparativa i unificada respecte altres mètodes classificadors de l'estat de l'art. També ens ha permés desenvolupar una implementació en un llenguatge d'alt nivell, que ha reportat més significància per a l'enteniment i anàlisi del model avaluat, amb una argumentació més sòlida.Els resultats i l'anàlisi que reportem són significatius i positius per al model avaluat, i degut a la poca literatura existent en el camp de classificació de sons inharmònics com els sons percussius,creiem que és una aportació interessant i significativa per al camp en el que s'engloba el treball.

Aplicacions educatives basades en interfícies tangibles

L’educació és una de les bases més importants del món actual. A través de l’educació formem a les persones amb coneixements i valors indispensables per formar part de la societat. I aquestasocietat avança i evoluciona cada vegada més depressa; la nova societat de la informació, les noves tecnologies, les noves comunicacions… És per això que un àmbit tant important com l’educació també ha d’evolucionar al mateix ritme.Les noves generacions han de ser educades en les noves tecnologies ja que es tornenindispensables. Però a més també es planteja la qüestió de si aquestes innovacionstecnològiques suposen nous mètodes, noves eines, per proporcionar una educació de mésqualitat, que facin desenvolupar encara més les noves capacitats i aptituds dels nens.Un dels objectius principals d’aquest projecte és aquest. Primer cal investigar i preguntar-se si aquests nous avenços tecnològics es troben a l’aula, a l’educació dels més petits i si s’exploten els seus recursos de forma convenient. Llavors podem plantejar que és el que manca, i que espot millorar amb les noves tecnologies.Tots aquests avenços però, poden resultar eines molt complicades i inaccessibles pels nens i es pot acabar optant per no fer-ne ús. Per això en aquest projecte s’estudiarà la viabilitat de fer servir una nova eina, la ReacTable, una interfície tangible, interactiva i que pot proporcionar unús més fàcil, menys agressiu i més intuïtiu que la resta de tecnologies.