Active control of structures with uncertain coupled subsystems and actuator dynamics

This paper deals with the problem of stabilizing a class of structures subject to an uncertain excitation due to the temporary coupling of the main system with another uncertain dynamical subsystem. A Lyapunov function based control scheme is proposed to attenuate the structural vibration. In the control design, the actuator dynamics is taken into account. The control scheme is implemented by using only feedback information of the main system. The effectiveness of the control scheme is shown for a bridge platform with crossing vehicle

Functional studies of the deubiquitinating enzymes USP19, USP4 and UCH-L1

El marcaje de proteínas con ubiquitina, conocido como ubiquitinación, cumple diferentes funciones que incluyen la regulación de varios procesos celulares, tales como: la degradación de proteínas por medio del proteosoma, la reparación del ADN, la señalización mediada por receptores de membrana, y la endocitosis, entre otras (1). Las moléculas de ubiquitina pueden ser removidas de sus sustratos gracias a la acción de un gran grupo de proteasas, llamadas enzimas deubiquitinizantes (DUBs) (2). Las DUBs son esenciales para la manutención de la homeostasis de la ubiquitina y para la regulación del estado de ubiquitinación de diferentes sustratos. El gran número y la diversidad de DUBs descritas refleja tanto su especificidad como su utilización para regular un amplio espectro de sustratos y vías celulares. Aunque muchas DUBs han sido estudiadas a profundidad, actualmente se desconocen los sustratos y las funciones biológicas de la mayoría de ellas. En este trabajo se investigaron las funciones de las DUBs: USP19, USP4 y UCH-L1. Utilizando varias técnicas de biología molecular y celular se encontró que: i) USP19 es regulada por las ubiquitin ligasas SIAH1 y SIAH2 ii) USP19 es importante para regular HIF-1α, un factor de transcripción clave en la respuesta celular a hipoxia, iii) USP4 interactúa con el proteosoma, iv) La quimera mCherry-UCH-L1 reproduce parcialmente los fenotipos que nuestro grupo ha descrito previamente al usar otros constructos de la misma enzima, y v) UCH-L1 promueve la internalización de la bacteria Yersinia pseudotuberculosis.

Convergencia de vías de señalización en un modelo de apoptosis

La sepsis es un evento inflamatorio generalizado del organismo inducido por un daño causado generalmente por un agente infeccioso. El patógeno más frecuentemente asociado con esta entidad es el Staphylococcus aureus, responsable de la inducción de apoptosis en células endoteliales debida a la producción de ceramida. Se ha descrito el efecto protector de la proteína C activada (PCA) en sepsis y su relación con la disminución de la apoptosis de las células endoteliales. En este trabajo se analizó la activación de las quinasas AKT, ASK1, SAPK/JNK y p38 en un modelo de apoptosis endotelial usando las técnicas de Western Blotting y ELISA. Las células endoteliales (EA.hy926), se trataron con C2-ceramida (130μM) en presencia de inhibidores químicos de cada una de estas quinasas y PCA. La supervivencia de las células en presencia de inhibidores químicos y PCA fue evaluada por medio de ensayos de activación de las caspasas 3, 7 y 9, que verificaban la muerte celular por apoptosis. Los resultados evidencian que la ceramida reduce la activación de AKT y aumenta la activación de las quinasas ASK, SAPK/JNK y p38, en tanto que PCA ejerce el efecto contrario. Adicionalmente se encontró que la tiorredoxina incrementa la activación/fosforilación de AKT, mientras que la quinasa p38 induce la defosforilación de AKT.

Pressure-jump-induced kinetics reveals a hydration dependent folding/unfolding mechanism of ribonuclease A

Pressure-jump (p-jump)-induced relaxation kinetics was used to explore the energy landscape of protein folding/unfolding of Y115W, a fluorescent variant of ribonuclease A. Pressure-jumps of 40MPa amplitude (5ms dead-time) were conducted both to higher (unfolding) and to lower (folding) pressure, in the range from 100 to 500MPa, between 30 and 50°C. Significant deviations from the expected symmetrical protein relaxation kinetics were observed. Whereas downward p-jumps resulted always in single exponential kinetics, the kinetics induced by upward p-jumps were biphasic in the low pressure range and monophasic at higher pressures. The relative amplitude of the slow phase decreased as a function of both pressure and temperature. At 50°C, only the fast phase remained. These results can be interpreted within the framework of a two-dimensional energy surface containing a pressure- and temperature-dependent barrier between two unfolded states differing in the isomeric state of the Asn-113–Pro-114 bond. Analysis of the activation volume of the fast kinetic phase revealed a temperature-dependent shift of the unfolding transition state to a larger volume. The observed compensation of this effect by glycerol offers an explanation for its protein stabilizing effect

Estabilitat conformacional de variants de la ribonucleasa A: pressió i temperatura com a inductors dels desplegament proteic

A fi d'analitzar la contribució de la regió C-terminal proposada com a iniciadora del plegament (CFIS 106-118) a l'estabilitat de l'RNasa A, els residus alifàtics d'aquesta regió es van substituir, mitjançant mutagènesi dirigida, per altres residus en els quals la cadena lateral alifàtica era rogressivament escurçada. La major part de les substitucions projectades suposaven delecions no disruptives de grups metil(è). A més, es va reemplaçar la Tyr115 per un Trp, de manera que, potencialment, s'introduïa una única sonda fluorescent, no desestabilitzant, per tal de seguir els canvis conformacionals que es poguessin generar en la regió durant el procés de legament/desplegament de la proteïna. Tant els paràmetres cinètics, com els espectres d'FTIR i CD, determinats per cadascuna de les ribonucleases variants, indiquen que els reemplaçaments aminoacídics efectuats presenten, en general, poc o cap efecte en l'estructura nativa i en l'activitat de l'enzim. Es va emprar l'espectroscòpia d'absorció a l'ultraviolat de quarta derivada, la fluorescència (per la variant amb Trp) i l'espectroscòpia d'infraroig per transformada de Fourier, per tal de seguir i caracteritzar, en condicions d'equilibri, les transicions conformacionals de cada variant en funció de la pressió i de la temperatura. Els resultats es van comparar amb els que es van obtenir per la proteïna salvatge. Per determinar més a fons les característiques del procés de desplegament de la variant Y115W, les transicions de desnaturalització induïdes per urea d'aquesta variant i de la proteïna salvatge, van ésser examinades per mitjà d'electroforesi en gradient d'urea i espectroscòpia de fluorescència. Curiosament, els canvis conformacionals que resulten de la desnaturalització per pressió són molt semblants als que s'obtenen per temperatura. Enfront d'un augment gradual tant de pressió com de temperatura, l'estructura terciària i els elements d'estructura secundària de les proteïnes estudiades es perden de manera conjunta i reversible. Aquestes variacions estructurals que es promouen descriuen un procés de desplegament molt cooperatiu i en dos estats. Atès que ambdues tècniques (UV i FTIR) utilitzen cadascuna un règim de concentració proteica molt diferent, els resultats indiquen que el procés de desplegament per pressió i per temperatura és intramolecular. Els resultats obtinguts suggereixen que la hidrofobicitat i el volum de les cadenes laterals del CFIS, juntament amb les interaccions de van der Waals entre elements d'estructura secundària intervenen de manera molt notable en l'estabilització de la proteïna. Entre els diferents aminoàcids alifàtics que pertanyen al CFIS C-terminal, la Val108 és el residu més important per tal de preservar la integritat estructural de l'estat natiu. Els reemplaçaments en aquesta posició causen petites alteracions conformacionals i una gran desestabilització de la proteïna (per exemple, el punt mig de la transició de desnaturalització per pressió i per temperatura de la variant V108G disminueix uns 592 MPa i 25ºC, respectivament, respecte a la proteïna salvatge). D'acord amb els resultats obtinguts, la variant Y115W ofereix una sonda útil per tal de seguir la cinètica de plegament/desplegament de l'RNasa A.

Les sHsps en surera: Estudis de funcionalitat

Aquesta tesi es centra en la caracterització funcional d'una proteïna de xoc de calor de baix pes molecular (Small Heat Shock Protein - sHSP) de classe I de surera pel que fa a la seva capacitat per protegir les cèl·lules de l'estrès i per estabilitzar les membranes. Les sHsps són proteïnes que s'expressen en condicions d'estrès cel·lular. Encara que certs aspectes funcionals de les sHsps són ben coneguts, el nostre treball aporta informacions noves sobre el paper de les diferents regions de la proteïna, especialment de la regió N-terminal. L'objectiu concret d'aquest treball és determinar la funció termoprotectora de QsHsp17.4-CI, una sHsp de classe I oobtinguda a partir de les cèl·lules de fel·lema d'alzina surera, en un model bacterià i analitzar la importància de les diferents regions de la proteïna en aquesta funció. Amb aquesta finalitat s'han dissenyat dues proteïnes parcials derivades de QsHsp17.4-CI: una a la que li falta la regió N-terminal (C105) i una altra amb pràcticament tot el domini -cristal·lí deleccionat (N61), i una tercera, derivada de QsHs10-CI, a la que li falta la meitat del domini -cristal·lí (Hsp10). També s'estudia la possible capacitat estabilitzadora de membranes i la capacitat de modificar l'expressió d'altres Hsps quan s'expressa de forma heteròloga. Els nostres resultats demostren que l'expressió de QsHsp17.4-CI protegeix a les cèl·lules d'E.coli de l'estrès tèrmic alhora que la regió N-terminal i la regió consens II del domini -cristal·lí són imprescindibles per aquesta funció de protecció. En relació a un possible paper en les membranes, els estudis de localització subcel·lular mostren que QsHsp17.4-CI colocalitza amb la fracció membranes i que la regió N-terminal de la proteïna és responsable d'aquesta colocalització. No s'ha pogut demostrar, però, que la localització amb la membrana estigui associada a un efecte protector d'aquesta: en cap cas la sobrexpressió de les proteïnes modifica la composició d'àcids grassos i només N61, que no té acció termoprotectora, altera l'estat fisico-químic de la membrana. En estudis d'expressió de novo en E.coli s'ha observat que, a diferència de les altres proteïnes heteròlogues, N61 activa l'expressió de la majoria de Hsps d'E.coli fent pensar en una possible relació entre l'estat físic de la membrana i l'activació de la resposta a l'estrès. En resum, en aquest treball hem provat la capacitat protectora de QsHsp17.4 i aportem noves dades sobre la importància de la regió N-terminal i la regió consens II del domini -cristal·lí en aquesta funció. Per altra banda, es suggereix que QsHsp17.4 podria interaccionar amb la membrana d'E.coli i que la regió N-terminal seria imprescindible per aquesta interacció. Finalment hem determinat que les proteïnes que provoquen variacions en l'estat de fluïdesa de la membrana poden activar la resposta al xoc de calor per part de la cèl·lula bacteriana.

Noves aproximacions a la síntesi i caracterització de poliglicols al·lílics, polihidrosiloxans i surfactants copolimèrics. Avaluació d'aquests surfactants en formulacions de poliuretà

Els polímers són una sèrie de compostos que troben un ampli ventall d'aplicacions en la indústria actual. Un exemple són les espumes de poliuretà, estructures de tipus cel·lular obtingudes mitjançant la reacció química entre compostos de tipus isocianat i compostos de tipus poliol (polièters amb diferent nombre de grups hidroxil). És imprescindible l'ús d'additius d'estructura tensioactiva (surfactants de silicona) per estabilitzar el procés d'espumació i per proporcionar una estructura cel·lular ordenada i homogènia en mida i distribució. La síntesis i caracterització de les molècules precursores (polihidrosiloxans i polièters al·lílics), l'estudi de la reacció d'hidrosililació com a via d'obtenció dels diferents surfactants per reacció d'addició entre els polihidrosiloxans i els polièters al·lílics i la caracterització i avaluació en formulacions comercials de poliuretà dels surfactants sintetitzats han constituït els objectius del present treball. MEMÒRIA La Tesi Doctoral ha estat presentada seguint el següent esquema: CAPÍTOL I. INTRODUCCIÓ A LA QUÍMICA DEL POLIURETÀ. Es presenten els principis de la química del poliuretà, fent esment dels recents avenços en la síntesis i caracterització d'aquests compostos polimèrics, així com un apartat concret centrat en els surfactants de silicona. Es presenten les estructures habituals d'aquests compostos comercials i es detallen les reaccions de síntesi i les característiques físiques que aquests compostos proporcionen a les espumes de poliuretà. CAPÍTOL II. OBJECTIUS. 1.- Síntesis y caracterització d'una àmplia gamma de poliglicols al·lílics i de polihidrosiloxans amb grups hidrur reactius, ambdós precursors d'estructures polimèriques de tipus surfactant. 2.- Estudi de la reacció d'hidrosililació com a via de formació d'enllaços Si-C no hidrolitzables, mitjançant la reacció d'addició entre els substrats al·lílics insaturats i els polisiloxans amb grups hidrur reactius. 3.- Caracterització de les estructures polimèriques de tipus surfactant sintetitzades i avaluació d'aquestes en formulacions de poliuretà, a fi de relacionar l'estructura química d'aquests oligómers amb els efectes físics que originen en l'espuma de poliuretà. CAPÍTOL III. SÍNTESI I CARACTERITZACIÓ DE SUBSTRATS AL·LÍLICS INSATURATS DE TIPUS POLIGLICOL. S'han caracteritzat per HPLC-UV una sèrie de polietilenglicols comercials. S'ha estudiat la reacció de derivatització al·lílica sobre els grups hidroxil dels polièters comercials (PEG, PPG i copolímers PEG-PPG) i s'han caracteritzat exhaustivament els productes sintetitzats (1H,13C-RMN, GC, GC-MS, FTIR, ESI-MS, HPLC-UV). S'ha iniciat un estudi de polimerització aniònica sobre nous epòxids amb un punt de diversitat molecular, sintetitzant-se i caracteritzant-se els corresponents nous polièters obtinguts. CAPÍTOL IV. SÍNTESI I CARACTERITZACIÓ DE POLIHIDROSILOXANS REACTIUS. S'estudia la síntesis de polihidrosiloxans amb grups hidrur reactius, mitjançant la reacció de polimerització aniònica d'obertura d'anell ("AROP, anionic ring opening polimerization") i mitjançant la reacció de polimerització per equilibració catiònica. Es presenta una caracterització exhaustiva dels productes sintetitzats i es descriu la naturalesa de la microestructura polimèrica a partir de la distribució bivariant dels copolímers PDMS-co-PHMS (poli(dimetilsiloxà)-co-poli(hidrometilsiloxà)). CAPÍTOL V. ESTUDI SISTEMÀTIC DE LA REACCIÓ D'HIDROSILILACIÓ. S'ha estudiat la reacció d'hidrosililació amb la finalitat de sintetitzar estructures copolimèriques poliglicol-polisiloxà a partir de la reacció de polisiloxans hidrur reactius i polièters al·lílics. S'han provat diferents catalitzadors (Pt/C 5%, cat. de Speier i cat. de Karstedt), s'han sintetitzat diferents estructures tensoactives (lineals i ramificades) i s'ha modelitzat les diferents reaccions secundàries observades, per presentar un estudi mecanístic de la reacció d'hidrosililació aplicada a la síntesis de molècules d'elevat PM a partir de la reacció entre substrats al·lílics insaturats i polihidrosiloxans. CAPÍTOL VI. AVALUACIÓ DELS SURFACTANTS EN FORMULACIONS DE POLIURETÀ. S'ha estudiat la idoneïtat dels surfactants de silicona sintetitzats en diferents formulacions de poliuretà comercials. S'ha relacionat el comportament físic d'aquests surfactants en les espumes de poliuretà amb la seva estructura química a partir de l'anàlisi per microscòpia electrònica de rastreig. CAPÍTOL VII. CONCLUSIONS. S'han esposat les conclusions extretes de cada capítol.

Electric field alignment in thin films of cylinder-forming diblock copolymer

We investigate thin films of cylinder-forming diblock copolymer confined between electrically charged parallel plates, using self-consistent-field theory ( SCFT) combined with an exact treatment for linear dielectric materials. Our study focuses on the competition between the surface interactions, which tend to orient cylinder domains parallel to the plates, and the electric field, which favors a perpendicular orientation. The effect of the electric field on the relative stability of the competing morphologies is demonstrated with equilibrium phase diagrams, calculated with the aid of a weak-field approximation. As hoped, modest electric fields are shown to have a significant stabilizing effect on perpendicular cylinders, particularly for thicker films. Our improved SCFT-based treatment removes most of the approximations implemented by previous approaches, thereby managing to resolve outstanding qualitative inconsistencies among different approximation schemes.

The first preparation of beta-lactones by radical cyclization

beta-Lactones have, for the first time, been prepared by 4-exo-trig radical cyclization. Thus, alpha-ethenoyloxy radicals react in the presence of tributylstannane in a photothermal process to give beta-lactones. Highest yields were obtained when groups capable of stabilizing a carboncentered radical were present at the 3-position of the alkenoate acceptor.

Effect of minerals on casein micelle stability of cows' milk

The effects of minerals on casein micelle stability of individual cows' milk, throughout a complete lactation, were investigated. Calcium and calcium ions, magnesium, phosphorus, sodium, potassium and citrate contents were analysed, together with the following physical properties of milk; pH, ethanol stability, rennet clotting time and coagulum firmness. There was an inverse non-linear relationship between free calcium ion concentration and ethanol stability (ES; r=0.84). Rennet coagulation time showed a weaker relationship with free calcium ion concentration (r=0.44) but a stronger relationship with pH (r=0.66). In addition, samples containing higher amounts of free calcium ions produced a firmer gel. Citrate in natural samples acts as a stabilizing factor, as it slightly improves milk stability. Potassium, on the other hand, exhibited a negative correlation, but only with rennet clotting time (r=-0.52). Throughout lactation the average values were; free Ca 21 concentration 1.88 mm,, pH 6.63, ES 83.2% and clotting time 13.6 min. The equilibrium relationship between pH and free Ca2+ concentration was investigated by adjusting milk pH from 5.9 to 7.1, using acid and alkali. There was a good inverse linear relationship between pH and log (free Ca 21) for individual milk samples, with a gradient of -0.62 and a standard deviation of 0.042.

An engineering model of the human colon

The development and performance of a three-stage tubular model of the large human intestine is outlined. Each stage comprises a membrane fermenter where flow of an aqueous polyethylene glycol solution on the outside of the tubular membrane is used to control the removal of water and metabolites (principally short chain fatty acids) from, and thus the pH of, the flowing contents on the fermenter side. The three stage system gave a fair representation of conditions in the human gut. Numbers of the main bacterial groups were consistently higher than in an existing three-chemostat gut model system, suggesting the advantages of the new design in providing an environment for bacterial growth to represent the actual colonic microflora. Concentrations of short chain fatty acids and Ph levels throughout the system were similar to those associated with corresponding sections of the human colon. The model was able to achieve considerable water transfer across the membrane, although the values were not as high as those in the colon. The model thus goes some way towards a realistic simulation of the colon, although it makes no pretence to simulate the pulsating nature of the real flow. The flow conditions in each section are characterized by low Reynolds numbers: mixing due to Taylor dispersion is significant, and the implications of Taylor mixing and biofilm development for the stability, that is the ability to operate without washout, of the system are briefly analysed and discussed. It is concluded that both phenomena are important for stabilizing the model and the human colon.

Efficient fuzzy control of a rotary inverted pendulum based on LQR mapping

This paper develops fuzzy methods for control of the rotary inverted pendulum, an underactuated mechanical system. Two control laws are presented, one for swing up and another for the stabilization. The pendulum is swung up from the vertical down stable position to the upward unstable position in a controlled trajectory. The rules for the swing up are heuristically written such that each swing results in greater energy build up. The stabilization is achieved by mapping a stabilizing LQR control law to two fuzzy inference engines, which reduces the computational load compared with using a single fuzzy inference engine. The robustness of the balancing control is tested by attaching a bottle of water at the tip of the pendulum.

Implementation of robust hybrid feedback FxLMS active noise cancellation headset

Instability is a serious problem for acoustic Active Noise Cancellation (ANC) headsets as a result of large errors in estimating the transfer function of the plant. Typically this occurs when, for example, a wearer adjusts the headset. In this paper, the instability problem of adaptive ANC headset is addressed. To ensure stability of the whole system, we propose a hybrid solution consisting of an analog feedback loop parallel to the digital loop, and the role of the analog loop in stabilizing the headset is analyzed theoretically. Finally the methodology of implementing such a hybrid ANC headset is described in detail. The experiments carried out on the headset prototype show that the headset is robust under considerable fluctuations of the plant transfer characteristics, and has very good noise cancellation performance both for narrow-band and wide-band disturbances.

Comparison of heat stability of goat milk subjected to ultra-high temperature and in-container sterilisation

Goatmilk with and without stabilizing salt was subjected to in-container and UHTsterilization. Heatstability was assessed by measuring the amount of sediment in the milk. Without stabilizing salts, goatmilk usually produced less sediment when subjected to in-containersterilization compared with UHT processing. Addition of stabilizing salts up to 12.8 mM resulted in a progressive increase in sediment for in-containersterilization. In contrast, adding stabilizing salts at 6.4 mM initially reduced sediment formation in UHT-treated milk but addition of stabilizing salts at 12.8 mM increased sediment formation. Adding stabilizing salts to goatmilk increased pH, decreased ionic calcium, and increased ethanol stability. Adding up to 2 mM calcium chloride increased sediment formation more after UHT treatment than after in-containersterilization. These results suggest that no single mechanism or set of reactions causes milk to produce sediment during heating and that the favored pathway is different for UHT and in-containersterilization processes. Poor heatstability could be induced both by increasing ionic calcium and by decreasing it. Ethanol stability is not a good indicator of heatstability for in-containersterilization, but it may be for UHTsterilization, if milk does not enter the region of poor heatstability found at low concentrations of ionic calcium.

Symmetry breaking, mixing, instability, and low frequency variability in a minimal Lorenz-like system

Starting from the classical Saltzman two-dimensional convection equations, we derive via a severe spectral truncation a minimal 10 ODE system which includes the thermal effect of viscous dissipation. Neglecting this process leads to a dynamical system which includes a decoupled generalized Lorenz system. The consideration of this process breaks an important symmetry and couples the dynamics of fast and slow variables, with the ensuing modifications to the structural properties of the attractor and of the spectral features. When the relevant nondimensional number (Eckert number Ec) is different from zero, an additional time scale of O(Ec−1) is introduced in the system, as shown with standard multiscale analysis and made clear by several numerical evidences. Moreover, the system is ergodic and hyperbolic, the slow variables feature long-term memory with 1/f3/2 power spectra, and the fast variables feature amplitude modulation. Increasing the strength of the thermal-viscous feedback has a stabilizing effect, as both the metric entropy and the Kaplan-Yorke attractor dimension decrease monotonically with Ec. The analyzed system features very rich dynamics: it overcomes some of the limitations of the Lorenz system and might have prototypical value in relevant processes in complex systems dynamics, such as the interaction between slow and fast variables, the presence of long-term memory, and the associated extreme value statistics. This analysis shows how neglecting the coupling of slow and fast variables only on the basis of scale analysis can be catastrophic. In fact, this leads to spurious invariances that affect essential dynamical properties (ergodicity, hyperbolicity) and that cause the model losing ability in describing intrinsically multiscale processes.