Analysis, modeling, design and optimization of future communications systems: from theory to practice

Esta tese descreve uma framework de trabalho assente no paradigma multi-camada para analisar, modelar, projectar e optimizar sistemas de comunicação. Nela se explora uma nova perspectiva acerca da camada física que nasce das relações entre a teoria de informação, estimação, métodos probabilísticos, teoria da comunicação e codificação. Esta framework conduz a métodos de projecto para a próxima geração de sistemas de comunicação de alto débito. Além disso, a tese explora várias técnicas de camada de acesso com base na relação entre atraso e débito para o projeto de redes sem fio tolerantes a atrasos. Alguns resultados fundamentais sobre a interação entre a teoria da informação e teoria da estimação conduzem a propostas de um paradigma alternativo para a análise, projecto e optimização de sistemas de comunicação. Com base em estudos sobre a relação entre a informação recíproca e MMSE, a abordagem descrita na tese permite ultrapassar, de forma inovadora, as dificuldades inerentes à optimização das taxas de transmissão de informação confiáveis em sistemas de comunicação, e permite a exploração da atribuição óptima de potência e estruturas óptimas de pre-codificação para diferentes modelos de canal: com fios, sem fios e ópticos. A tese aborda também o problema do atraso, numa tentativa de responder a questões levantadas pela enorme procura de débitos elevados em sistemas de comunicação. Isso é feito através da proposta de novos modelos para sistemas com codificação de rede (network coding) em camadas acima da sua camada física. Em particular, aborda-se a utilização de sistemas de codificação em rede para canais que variam no tempo e são sensíveis a atrasos. Isso foi demonstrado através da proposta de um novo modelo e esquema adaptativo, cujos algoritmos foram aplicados a sistemas sem fios com desvanecimento (fading) complexo, de que são exemplos os sistemas de comunicação via satélite. A tese aborda ainda o uso de sistemas de codificação de rede em cenários de transferência (handover) exigentes. Isso é feito através da proposta de novos modelos de transmissão WiFi IEEE 801.11 MAC, que são comparados com codificação de rede, e que se demonstram possibilitar transferência sem descontinuidades. Pode assim dizer-se que esta tese, através de trabalho de análise e de propostas suportadas por simulações, defende que na concepção de sistemas de comunicação se devem considerar estratégias de transmissão e codificação que sejam não só próximas da capacidade dos canais, mas também tolerantes a atrasos, e que tais estratégias têm de ser concebidas tendo em vista características do canal e a camada física.

Revenue diversification in higher education: the case of Portugal

Socio-economic changes, alterations in societal expectations and new public policies have put pressures on higher education public funding, bringing the issue of funding diversification to the forefront. Income diversification, namely, generation of funds from private, as well as from competitive public sources, has become increasingly important in European higher education due to a complex financial environment and perceived deficit of innovation transfer. Although there are numerous studies about changes in national funding systems and allocation mechanisms, few have focused on diversification of funding sources, especially in the European context, making Portugal no exception. Thus, this study aims at exploring income diversification at the institutional level and its influence on the internal organisational structures. For this purpose two Portuguese public universities were chosen as case studies. The empirical material was collected through semi-structured interviews with top management and middle management of each university and through documentary analysis. Data analysis demonstrated that both universities are in the process of institutionalizing and formalising practices of income diversification, notably by getting more professional in how they are dealing with external stakeholders, such as businesses, local community, and students. However, the study also revealed that there is no formal, organised strategy to deal with income diversification. In general, the universities are reacting to external demands rather than pro-actively exploring opportunities. In this respect, the analysis determined several factors that promote or inhibit income diversification activities. Quality and favourable organizational culture were named by the interviewees as the most relevant factors for successful income diversification. External factors such as legal arrangements and funding conditions were cited as major constraints. This research has also revealed that revenue diversification activities tend to develop along the continuum towards higher sophistication and systematisation of activities that are supported by a powerful infrastructure. Together with efforts at the institutional level, the role of government policies proves to be crucial in providing tools and incentives to higher education institutions and creating a harmonious higher education system.

Silver nanoparticles flow in an aquatic trophic chain

Silver nanoparticles (AgNP) have been produced and applied in a variety of products ranging from personal care products to food package containers, clothing and medicine utilities. The antimicrobial function of AgNP makes it very useful to be applied for such purposes. Silver (Ag) is a non-essential metal for organisms, and it has been historically present in the environment at low concentrations. Those concentrations of silver increased in the last century due to the use of Ag in the photographic industry and lately are expected to increase due to the use of AgNPs in consumer products. The presence of AgNP in the aquatic environment may pose a risk for aquatic species, and the effects can vary from lethal to sublethal effects. Moreover, the contact of aquatic organisms with AgNP may not cause immediately the death of individuals but it can be accumulated inside the animals and consequently transferred within the food chain. Considering this, the objective of this work was to study the transfer of silver nanoparticles in comparison to silver ions, which was used as silver nitrate, within an aquatic food chain model. To achieve this goal, this study was divided into four steps: the toxicity assessment of AgNP and AgNO3 to aquatic test-species, the bioaccumulation assessment of AgNP and AgNO3 by Pseudokirchneriella subcapitata and Daphnia magna under different exposure scenarios, and finally the evaluation of the trophic transfer of Ag through an experimental design that included the goldfish Carassius auratus in a model trophic chain in which all the species were exposed to the worse-case scenario. We observed that the bioconcentration of Ag by P. subcapitata is mainly driven by ionic silver, and that algae cannot internalize these AgNPs, but it does internalizes dissolved Ag. Daphnia magna was exposed to AgNP and AgNO3 through different exposure routes: water, food and both water and food. The worse-case scenario for Daphnia Ag bioaccumulation was by the joint exposure of contaminated water and food, showing that Ag body burdens were higher for AgNPs than for AgNO3. Finally, by exposing C. auratus for 10 days through contaminated water and food (supplied as D. magna), with another 7 days of depuration phase, it was concluded that the 10 days of exposure were not enough for fish to reach a plateau on Ag internal concentration, and neither the 7 days of elimination were sufficient to cause total depuration of the accumulated Ag. Moreover, a higher concentration of Ag was found in the intestine of fish when compared with other organs, and the elimination rate constant of AgNP in the intestine was very low. Although a potential for trophic transfer of AgNP cannot be suggested based in the data acquired in this study, there is still a potential environmental risk for aquatic species.

Management and Control of Water Supply Systems

The fast increase in the energy’s price has brought a growing concern about the highly expensive task of transporting water. By creating an hydraulic model of the Water Supply System’s (WSS) network and predicting its behaviour, it is possible to take advantage of the energy’s tariffs, reducing the total cost on pumping activities. This thesis was developed, in association with a technology transfer project called the E-Pumping. It focuses on finding a flexible supervision and control strategy, adaptable to any existent Water Supply System (WSS), as well as forecasting the water demand on a time period chosen by the end user, so that the pumping actions could be planned to an optimum schedule, that minimizes the total operational cost. The OPC protocol, associated to a MySQL database were used to develop a flexible tool of supervision and control, due to their adaptability to function with equipments from various manufacturers, being another integrated modular part of the E-Pumping project. Furthermore, in this thesis, through the study and performance tests of several statistical models based on time series, specifically applied to this problem, a forecasting tool adaptable to any station, and whose model parameters are automatically refreshed at runtime, was developed and added to the project as another module. Both the aforementioned modules were later integrated with an Graphical User Interface (GUI) and installed in a pilot application at the ADDP’s network. The implementation of this software on WSSs across the country will reduce the water supply companies’ running costs, improving their market competition and, ultimately, lowering the water price to the end costumer.

Compreensão do texto escrito em inglês língua estrangeira: estudo de caso sobre o uso de um hipermédia de flexibilidade cognitiva

O presente estudo, no âmbito da Didática do Inglês, incidiu sobre a compreensão do texto escrito em Inglês, língua estrangeira, num ambiente de aprendizagem hipermédia, o DidaktosOnLine (Moreira et al., 2005). A investigação teve como objetivos avaliar a importância das características do design do hiperdocumento e de características dos participantes no estudo, tais como conhecimentos de língua inglesa, estilos de aprendizagem ou preferências epistémicas, na compreensão dos textos do hiperdocumento Images of Britain and the British. Pretendeu-se ainda avaliar a opinião dos participantes sobre a utilização do DidaktosOnLine para aceder a documentos e estudar um tema do programa. A importância do desenvolvimento da competência de compreensão de textos escritos no âmbito da aprendizagem do Inglês no Ensino Superior e as dificuldades dos alunos na compreensão dos textos mais complexos e nas tarefas que exigem transferência de conhecimentos constituem a justificação para a escolha da problemática deste estudo. A plataforma DidaktosOnLine foi desenvolvida na Universidade de Aveiro, com base nos princípios da Teoria da Flexibilidade Cognitiva (Spiro et al, 1988). É uma ferramenta hipermédia que permite a organização didática de vários tipos de materiais, por exemplo texto, imagem, som e vídeo. A investigação efetuada utilizou uma abordagem de estudo de caso. Duas turmas de alunos do curso de Ciências da Comunicação da Escola Superior de Educação e Comunicação da Universidade do Algarve utilizaram a plataforma em contexto de sala de aula. Da análise dos resultados conclui-se que as características do hiperdocumento são importantes para a compreensão dos textos, com particular destaque para os recursos que integram os minicasos e as sequências que permitem uma leitura cruzada da informação. Quanto às características dos participantes, são relevantes os conhecimentos de língua inglesa, as preferências epistémicas e os estilos de aprendizagem, sobretudo no que diz respeito a algumas subescalas do constructo utilizado. A avaliação da plataforma e do hiperdocumento utilizado é globalmente positiva, tendo os participantes referido que permite uma forma de aprender diferente. A reflexão sobre os resultados do estudo leva-nos a recomendar práticas de ensino da leitura adequadas aos novos modos de ler utilizando os media digitais, que dão ênfase ao papel ativo do leitor na construção de significado, e para as quais o DidaktosOnLine dá um contributo relevante. Apresentam-se sugestões para estudos futuros.

Reliable and energy efficient routing for ad hoc networks

In Mobile Ad hoc NETworks (MANETs), where cooperative behaviour is mandatory, there is a high probability for some nodes to become overloaded with packet forwarding operations in order to support neighbor data exchange. This altruistic behaviour leads to an unbalanced load in the network in terms of traffic and energy consumption. In such scenarios, mobile nodes can benefit from the use of energy efficient and traffic fitting routing protocol that better suits the limited battery capacity and throughput limitation of the network. This PhD work focuses on proposing energy efficient and load balanced routing protocols for ad hoc networks. Where most of the existing routing protocols simply consider the path length metric when choosing the best route between a source and a destination node, in our proposed mechanism, nodes are able to find several routes for each pair of source and destination nodes and select the best route according to energy and traffic parameters, effectively extending the lifespan of the network. Our results show that by applying this novel mechanism, current flat ad hoc routing protocols can achieve higher energy efficiency and load balancing. Also, due to the broadcast nature of the wireless channels in ad hoc networks, other technique such as Network Coding (NC) looks promising for energy efficiency. NC can reduce the number of transmissions, number of re-transmissions, and increase the data transfer rate that directly translates to energy efficiency. However, due to the need to access foreign nodes for coding and forwarding packets, NC needs a mitigation technique against unauthorized accesses and packet corruption. Therefore, we proposed different mechanisms for handling these security attacks by, in particular by serially concatenating codes to support reliability in ad hoc network. As a solution to this problem, we explored a new security framework that proposes an additional degree of protection against eavesdropping attackers based on using concatenated encoding. Therefore, malicious intermediate nodes will find it computationally intractable to decode the transitive packets. We also adopted another code that uses Luby Transform (LT) as a pre-coding code for NC. Primarily being designed for security applications, this code enables the sink nodes to recover corrupted packets even in the presence of byzantine attacks.

International cooperation for development in tourism destinations

The main goal of this thesis is to propose a conceptual theoretical model of critical success factors of International Development Cooperation programmes that are based in knowledge transfer approaches in the context of tourism development. The research was structured around three main theoretical pillars: international development cooperation (IDC), tourism as a tool for development, and knowledge transfer (KT). By exploring these pillars´ main interrelations, it was possible to gather the necessary background to develop the theoretical model and apply it to a real context. It was adopted a qualitative research approach using as a case study an IDC programme in tourism - the UNWTO.Volunteers programme. The key contribution of this thesis in the theoretical realm is the bridging of fields of study that are insufficiently covered in the scientific literature. The resulting model proposal applied to a real context of an IDC programme implementation permitted to test it partially providing useful insights for future research. It is postulated that IDC programmes in these contexts constitute a process rather than an end in itself. Therefore, they should be seen as a way of changing the state of the art of the tourism system in a sustainable manner so that it potentially generates positive development changes. This study suggested that it is not possible to achieve positive results if, instead of encouraging a KT and learning environment, it is simply disseminated knowledge in a linear, static, north-south approach. The characteristics of these interventions should be reviewed in that it was found that it is very difficult to guarantee the maintenance of the development changes induced by them if it is not safeguarded the necessary conditions and accountability to implement the recommended actions. While it was perceived a great potential for development changes to be induced by some IDC programmes in tourism destinations, it was concluded that these processes are too much dependent on the local political systems and existing power relations, as well as on the level of tourism development of the destination. However, more research is needed to examine the ability to generalise the findings to other IDC programmes and different destinations of developing countries.

Metais em plantas e algas : acumulação e potencial aplicação em processos de remediação

The present work reports the study of the bioaccumulation of potentially toxic elements (cadmium, lead and mercury) by marine macroalgae (Ulva lactuca, Fucus vesiculosus and Gracilaria gracilis), abundant in the coast and estuarine systems worldwide. These organisms proved to be capable of withstanding moderate multi-metallic contamination (environmentally relevant concentrations), incorporating high amounts of metal in their tissues. The high removal percentages achieved, in particular for mercury (99%), demonstrate the potential of these algae as a basis for a new biotechnological treatment of saline waters contaminated with metals (more efficient, cost-effective and environmentally friendly than conventional methods). U. lactuca was considered the most promising due to the better performance presented. The comparison between the bioaccumulation and biosorption processes suggested that in some cases the use of the living organism will have advantages over the application of biomass, due to the simplicity of the overall process, and the lower residual concentration of metal achieved in the solution (especially for Cd). The transfer and accumulation of Hg by terrestrial plants (Brassica juncea and Lolium perenne) in agricultural fields near a contaminated industrial area was also studied. Despite the low bioaccumulation factors found (<1), there were high Hg content in plants (up to 84 mg kg-1 in roots and up 6.9 mg kg-1 in shoots, dry weight). Daily intake estimates for grazing animals (cows and sheep) pointed to the potential risk to human health derived from consumption of their meat. The results highlighted the important role that plants and algae may have in protection, risk assessment and remediation of environmental systems contaminated with metals.

Fiabilidade e validade do instrumento Physiosensing na avaliação do equilíbrio em pessoas com deficiência intelectual

Enquadramento: O ‘Physiosensing’ (‘PhyS’) é um dispositivo médico destinado ao treino do controlo postural nas posições de sentado e de pé, bem como no levantar e sentar, possibilitando também a avaliação do desempenho a este nível. Este trabalho teve como objetivo avaliar a fiabilidade e a validade da plataforma ‘Physiosensing’ na avaliação do equilíbrio em pessoas com deficiência intelectual (PCDI). Métodos: Para o grupo experimental (GE) foram recrutados 47 indivíduos com deficiência intelectual e para o grupo de controlo (GC) 39 indivíduos sem deficiência intelectual, provenientes da região do BaixoMondego. A avaliação da fiabilidade incluiu as análises da concordância entre observadores, reprodutibilidade temporal e consistência interna. A análise fatorial exploratória analisou os pressupostos de subdomínios propostos pelos autores. A validade discriminante foi analisada através da comparação de resultados entre o GE e o GC, e a validade concorrente pela análise dos valores de associação entre os resultados do ‘PhyS’ com a Escala de Equilíbrio de Berg (EEB). Resultados: O subconjunto de exercícios relacionados com a transferência de peso lateralmente (TPL) apresentou os resultados mais elevados a nível da concordância entre observadores (0,40 ≤ CCI > 0,75) e na reprodutibilidade intemporal (CCI ≥ 0,75). O instrumento apresenta uma consistência interna fraca (α = 0,63) quando considerados todos os exercícios, tendo-se obtido o melhor resultado para o subconjunto de exercícios TPL (α = 0,81). A análise fatorial exploratória devolveu quatro fatores, explicando 76,4% da variância, agrupando no primeiro fator o subconjunto de exercícios TPL. Foram encontradas diferenças estatisticamente significativas entre os resultados dos participantes com e sem deficiência intelectual, em dez dos onze exercícios que compõem a configuração da plataforma. Seis exercícios, que incluem os exercícios TPL, apresentam valores de associação estatisticamente significativos com a EEB. Conclusão: Alguns exercícios da plataforma ‘PhyS’ não se mostram adequados para medir o equilíbrio em PCDI, não podendo ser incluídos numa medida global. No entanto, os exercícios TPL poderão constituir um indicador global do equilíbrio em pessoas com PCDI. Recomenda-se a definição de procedimentos de medição de forma a melhorar os índices de fiabilidade, o aprofundamento da configuração de exercícios para a avaliação do equilíbrio e o estudo do potencial da plataforma em programas de intervenção para o treino das funções do equilíbrio.

Histórias em Intercompreensão: a voz dos autores

Este relatório foi elaborado no âmbito do lote 7 (Inserção Curricular da Intercompreensão) do projeto MIRIADI. Trata-se de um lote cujo objetivo é desenvolver processos de integração curricular da Intercompreensão (IC) à distância em grupos plurilingues, a partir de trabalhos experimentais levados a cabo no terreno e realizados numa lógica de investigação-ação, tendo em vista compreender as “condições de exequibilidade” desta abordagem didática nos curricula de aprendizagem de línguas e de formação. Procura-se, em particular, identificar empiricamente permeabilidades e resistências dos contextos e dos atores educativos face à IC como conceito prático com relevância profissional, bem como vantagens e limites do ponto de vista da aprendizagem linguística que possam justificar o seu valor educativo. A Intercompreensão tem vindo, nas últimas décadas, a percorrer um percurso de destaque em Didática de Línguas (sobretudo Estrangeiras) na Europa e fora dela, em particular no âmbito das atuais abordagens plurais, ocupando um lugar de visibilidade nos discursos e práticas de investigação e formação desta disciplina e contribuindo para a tonalidade da sua voz mais propriamente politico-ideológica (Alarcão, Andrade, Araújo e Sá, Melo-Pfeifer & Santos, 2009). Contudo, a presença do conceito nos espaços concretos de educação em línguas (tais como escolas, liceus, universidades e outras instituições) é extremamente débil, limitando-se a algumas experiências pontuais, sob o impulso (e mesmo a condução), na maior parte dos casos, dos investigadores e tendo como finalidade principal a produção de conhecimento didático (Degache & Tavares, 2011). Assim, pouco se sabe ainda do que pode ser efetivamente o contributo da IC para o projeto educativo das instituições, e muito menos do modo como o conceito pode ser integrado em práticas curriculares continuadas e sistemáticas de educação em línguas, sabendo-se que estas mesmas práticas são reguladas por múltiplas instâncias, internas e externas, objetivas e subjetivas, que atuam a vários níveis (macro, meso, micro) e que não podem deixar de ser consideradas. O lote 7 de Miriadi propõe abordar estas questões, relativas à integração curricular da IC, a partir de uma outra lógica epistemológica, uma lógica que não busca propostas desenhadas a partir dos resultados da investigação e orientadas para a transferência do conhecimento, ou seja, que não reflete uma perspetiva aplicacionista do saber didático. Ao invés, o trabalho realizado por este lote entende o currículo como uma construção dinâmica que se (re)define e se (re)negocia em função dos contextos específicos em que ocorre, atribuindo-lhe por conseguinte uma natureza contingente, situada, intersubjetiva e local. Nesta perspetiva sócio-construtivista, em que o currículo é uma co-construção que ocorre entre sujeitos precisos nas suas ações educativas quotidianas, a integração curricular da IC produz-se no âmbito destas ações, ou, dito de outra forma, através de práticas situadas nas especificidades e possibilidades que oferecem os contextos concretos, em particular os sujeitos que deles fazem parte. Esta perspetiva de trabalho do lote 7 parece-nos ser a mais coerente com o posicionamento teórico relativamente à IC enquanto conceito didático do projeto MIRIADI. Com efeito, está amplamente estudado que a IC tem vindo a ser tratada segundo diferentes pontos de vista, de acordo com as escolas epistemológicas e as proveniências e ancoragens disciplinares dos seus autores (para uma revisão recente, ver Araújo e Sá, 2013; Olliver, 2013). No âmbito do percurso específico de investigação/formação/intervenção do grupo e-Gala (www.e-gala.eu), no seio do qual emergiu MIRIADI, em particular das suas mais disseminadas realizações – as plataformas Galanet (www.galanet.eu) e Galapro (www-galapro.eu/sessions) -, a IC é abordada numa perspetiva socio-construtivista do saber e da relação comunicativa. Dito de outra forma, MIRIADI define a IC como um processo e uma prática interacional que ocorre entre sujeitos, atores sociais que vivem em diferentes línguas e que se implicam coletivamente num quadro dialógico “où le grand enjeu devient la construction d’un territoire de parole partagé” (Araújo e Sá, Degache & Spita, 2010: 26). Esta aceção interacionista (e plurilingue e intercultural) é complementada pelo recurso a meios de comunicação tecnológicos. Definido o enquadramento conceptual e metodológico do lote7, importa agora explicitar como se desenvolveu o trabalho ao longo dos seus 36 meses de execução. O lote organizou-se em 3 grandes etapas, que envolveram toda a equipa: Etapa 1. Identificação e caracterização de contextos de ensino e formação linguística suscetíveis de poderem beneficiar de uma integração curricular da IC (plurilingue e à distância) (os resultados desta etapa encontram-se na Prestation 7.1. do projeto, referida na nota anterior). Etapa 2. Planificação e desenvolvimento de múltiplas e diversificadas iniciativas de divulgação da IC nesses mesmos contextos, destinadas à comunidade educativa na generalidade (públicos, professores/formadores, órgãos de gestão, funcionários, etc.), tendo em vista a sua familiarização com a IC enquanto conceito didático e prática de educação em línguas, de modo a criar condições (e aberturas) para a sua integração curricular; uma atenção especial foi dada à formação dos agentes educativos. Etapa 3. Planificação, experimentação e avaliação, numa lógica de investigação-ação e em rede (aproveitando-se as potencialidades das plataformas Galapro e Galanet), de propostas de integração curricular da IC; pretendia-se, em especial, com estas propostas, identificar contributos da IC para a qualidade dos projetos educativos dos contextos de integração caracterizados (na etapa 1), mas também constrangimentos, fragilidades, obstáculos e resistências, numa abordagem crítica do conceito que fosse sensível às propriedades dos espaços-alvo de educação em línguas. Neste sentido, foram recolhidos, analisados e discutidos, em função das suas características contextuais (definidas na etapa 1), dados empíricos de natureza diversa (produções dos alunos, transcrições de excertos de aulas, testemunhos espontâneos de alunos e professores, respostas a questionários, entre outros). Este Rapport é um produto da Etapa 3. Trata-se de um documento multimédia, que pretende dar acesso sistematizado e crítico aos discursos e vozes de sujeitos reais que experienciaram propostas didáticas concretas de IC elaboradas durante esta etapa do lote. Mais concretamente, este relatório oferece 6 narrativas de estudos de caso (3 em contexto de ensino secundário e outros 3 no ensino superior), realizados em vários países (Brasil, França, Itália Portugal e República da Maurícia), contendo uma descrição detalhada das situações educativas experimentadas e uma análise dos dados recolhidos, com apresentação dos recursos e materiais utilizados e testemunhos dos sujeitos concretos (professores e alunos). Incluem-se igualmente os instrumentos de recolha de dados e alguns exemplos dos mesmos. Cada narrativa obedece a uma mesma estrutura discursiva, de forma a mais facilmente poderem ser comparáveis, permitindo a extração de conclusões transversais aos vários estudos: introdução; descrição do contexto de intervenção; descrição da intervenção (objetivos, atividades, com acesso aos recursos utilizados, e avaliação); resultados obtidos; conclusões e implicações A secção final, “Témoignages”, apresenta-se sob a forma de um conjunto de vídeos e podcasts, identificados de acordo com a instituição parceira do projeto que os recolheu e organizados segundo três critérios: • as línguas dos locutores (espanhol, francês, italiano e português); • os contextos de formação onde decorreram as experiências de IC (ensino secundário e ensino universitário); • o tipo de intervenientes nas experiências de IC (alunos ou professores). Assume-se mais uma vez, neste Rapport, as dinâmicas de trabalho plurilingue da equipa Miriadi, cuja rentabilidade para a produção do conhecimento didático foi analisada e evidenciada no âmbito de projetos anteriores (ver Melo-Pfeifer, 2014) e se encontra ilustrada, numa outra linguagem, nos nossos postais (disponíveis no Facebook). Assim, com exceção desta introdução, que foi traduzida para francês (ver acima), o documento encontra-se nas línguas de trabalho dos membros da equipa que o redigiram.

Transformações organocatalíticas e mediadas por metais de transição na síntese de novos heterociclos nitrogenados e ciclo-hexanos

Nas últimas décadas a quiralidade tornou-se essencial na conceção, descoberta, desenvolvimento e comercialização de novos medicamentos. A importância da quiralidade na eficácia e segurança dos fármacos tem sido globalmente reconhecida tanto pelas indústrias farmacêuticas como pelas agências reguladoras de todo o mundo. De forma a produzir eficazmente medicamentos seguros e dar resposta à demanda da indústria de compostos enantiomericamente puros, a pesquisa de novos métodos de síntese assimétrica, assim como o desenvolvimento estratégico dos métodos já disponíveis tem sido um dos principais objetos de estudo de diversos grupos de investigação tanto na academia como na indústria farmacêutica No primeiro capítulo desta dissertação são introduzidos alguns dos conceitos fundamentais associados à síntese de moléculas quirais e descritas algumas das estratégias que podem ser utilizadas na sua síntese. Apresenta-se ainda uma breve revisão bibliográfica acerca dos antecedentes do grupo de investigação e sobre a ocorrência natural, atividade biológica e métodos de síntese e transformações de compostos do tipo (E,E)-cinamilidenoacetofenona. O segundo capítulo centra-se na adição de Michael enantiosseletiva de diversos nucleófilos a derivados de (E,E)-cinamilidenoacetofenona. Inicialmente descreve-se a síntese de derivados de (E,E)-cinamilidenoacetofenona através de uma condensação aldólica de acetofenonas e cinamaldeídos apropriadamente substituídos. Estes derivados são posteriormente utilizados como substratos na adição de Michael enantiosseletiva de três diferentes nucleófilos: nitrometano, malononitrilo e 2-[(difenilmetileno)amino]acetato de metilo. Nestas reações são utilizados diferentes organocatalisadores de forma a induzir enantiosseletividade nos aductos de Michael para serem utilizados na síntese de compostos com potencial interesse terapêutico. É descrita ainda uma nova metodologia de síntese de Δ1-pirrolinas através de um procedimento one-pot de redução/ciclização/desidratação mediada por ferro na presença de ácido acético de (R,E)-1,5-diaril-3-(nitrometil)pent-4-en-1-onas com bons rendimentos e excelentes excessos enantioméricos. O terceiro capítulo centra-se no estabelecimento de novas rotas de síntese e transformação de derivados do ciclo-hexano. Após uma breve revisão bibliográfica, são descritas três metodologias enantiosseletivas distintas, sendo que a primeira envolve a utilização de organocatalisadores e catalisadores de transferência de fase derivados de alcaloides cinchona. Os derivados do ciclo-hexano foram obtidos a partir da reação entre as (E,E)-cinamilidenoacetofenonas e o malononitrilo com bons rendimentos, mas baixas enantiosseletividades independentemente do catalisador utilizado. De forma a contornar este problema e uma vez que a formação do derivado do ciclo-hexano envolve inicialmente a formação in-situ do aducto de Michael, a segunda e terceira metodologias de síntese envolvem a utilização dos aductos de Michael enantiomericamente puros preparados no segundo capítulo. Assim, a reação do (S,E)-2-(1,5-diaril-1-oxopent-4-en-3-il)malononitrilo com os derivados de (E,E)-cinamilidenoacetofenona organocatalisada pela hidroquinina permitiu obter os compostos pretendidos com excelentes excessos enantioméricos. A utilização de um catalisador de transferência de fase não foi tão eficiente em termos de enantiosseletividades obtidas na reação entre as (R,E)-1,5-diaril-3-(nitrometil)pent-4-en-1-onas e os derivados de (E,E)-cinamilidenoacetofenona, apesar de estes terem sido obtidos em bons rendimentos. A preparação destes derivados levou ainda à idealização de uma nova metodologia de síntese de análogos do ácido γ-aminobutírico (GABA) devido à presença de um grupo nitro em posição gama relativamente a um grupo carboxílico. No entanto, apesar de terem sido testadas várias metodologias, não foi possível obter os compostos pretendidos. No quarto capítulo apresenta-se uma breve revisão bibliográfica acerca da ocorrência natural, atividade biológica e métodos de síntese de derivados de di-hidro- e tetra-hidropiridinas, assim como um enquadramento teórico acerca das reações pericíclicas utilizadas na síntese dos compostos pretendidos. Inicialmente é descrita a preparação de N-sulfonilazatrienos substituídos através da condensação direta de derivados de (E,E)-cinamilidenoacetofenona e sulfonamidas. Estes compostos são posteriormente utilizados na síntese de derivados de 1,2-di-hidropiridinas através de uma aza-eletrociclização-6π por duas metodologias distintas: utilização de organocatalisadores quirais e utilização de complexos metálicos de bisoxazolinas. Na síntese das tetra-hidropiridinas os N-sulfonilazatrienos são utilizados como dienos e o étoxi-eteno como dienófilo numa reação hetero-Diels-Alder inversa utilizando também os complexos metálicos de bisoxazolinas como catalisadores. Todos os novos compostos sintetizados foram caracterizados estruturalmente recorrendo a estudos de espetroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), incluindo espetros de 1H e 13C e estudos bidimensionais de correlação espetroscópica homonuclear e heteronuclear e de efeito nuclear de Overhauser (NOESY). Foram também efetuados, sempre que possível, espetros de massa (EM) e análises elementares ou espetros de massa de alta resolução (EMAR) para todos os novos compostos sintetizados.

Codon ambiguities as a mechanism to alter the genetic code in Saccharomyces cerevisiae

Although the genetic code is generally viewed as immutable, alterations to its standard form occur in the three domains of life. A remarkable alteration to the standard genetic code occurs in many fungi of the Saccharomycotina CTG clade where the Leucine CUG codon has been reassigned to Serine by a novel transfer RNA (Ser-tRNACAG). The host laboratory made a major breakthrough by reversing this atypical genetic code alteration in the human pathogen Candida albicans using a combination of tRNA engineering, gene recombination and forced evolution. These results raised the hypothesis that synthetic codon ambiguities combined with experimental evolution may release codons from their frozen state. In this thesis we tested this hypothesis using S. cerevisiae as a model system. We generated ambiguity at specific codons in a two-step approach, involving deletion of tRNA genes followed by expression of non-cognate tRNAs that are able to compensate the deleted tRNA. Driven by the notion that rare codons are more susceptible to reassignment than those that are frequently used, we used two deletion strains where there is no cognate tRNA to decode the rare CUC-Leu codon and AGG-Arg codon. We exploited the vulnerability of the latter by engineering mutant tRNAs that misincorporate Ser at these sites. These recombinant strains were evolved over time using experimental evolution. Although there was a strong negative impact on the growth rate of strains expressing mutant tRNAs at high level, such expression at low level had little effect on cell fitness. We found that not only codon ambiguity, but also destabilization of the endogenous tRNA pool has a strong negative impact in growth rate. After evolution, strains expressing the mutant tRNA at high level recovered significantly in several growth parameters, showing that these strains adapt and exhibit higher tolerance to codon ambiguity. A fluorescent reporter system allowing the monitoring of Ser misincorporation showed that serine was indeed incorporated and possibly codon reassignment was achieved. Beside the overall negative consequences of codon ambiguity, we demonstrated that codons that tolerate the loss of their cognate tRNA can also tolerate high Ser misincorporation. This raises the hypothesis that these codons can be reassigned to standard and eventually to new amino acids for the production of proteins with novel properties, contributing to the field of synthetic biology and biotechnology.

Inactivation of Pseudomonas spp. biofilms with natural and synthetic photossensitizers

Cationic porphyrins have been widely used as photosensitizers (PSs) in the inactivation of microorganisms, both in biofilms and in planktonic forms. However, the application of curcumin, a natural PS, in the inactivation of biofilms, is poorly studied. The objectives of this study were (1) to evaluate and compare the efficiency of a cationic porphyrin tetra (Tetra-Py+-Me) and curcumin in the photodynamic inactivation of biofilms of Pseudomonas spp and the corresponding planktonic form; (2) to evaluate the effect of these PSs in cell adhesion and biofilm maturation. In eradication assays, biofilms of Pseudomonas spp adherent to silicone tubes were subjected to irradiation with white light (180 J cm-2) in presence of different concentrations (5 and 10 μM) of PS. In colonization experiments, solid supports were immersed in cell suspensions, PS was added and the mixture experimental setup was irradiated (864 J cm-2) during the adhesion phase. After transference solid supports to new PS-containing medium, irradiation (2592 J cm-2) was resumed during biofilm maturation. The assays of inactivation of planktonic cells were conducted in cell suspensions added of PS concentrations equivalent to those used in experiments with biofilms. The inactivation of planktonic cells and biofilms (eradication and colonization assays) was assessed by quantification of viable cells after plating in solid medium, at the beginning and at the end of the experiments. The results show that porphyrin Tetra-Py+-Me effectively inactivated planktonic cells (3.7 and 3.0 log) and biofilms of Pseudomonas spp (3.2 and 3.6 log). In colonization assays, the adhesion of cells was attenuated in 2.2 log, and during the maturation phase, a 5.2 log reduction in the concentration of viable cells was observed. Curcumin failed to cause significant inactivation in planktonic cells (0.7 and 0.9 log) and for that reason it was not tested in biofilm eradication assays. In colonization assays, curcumin did not affect the adhesion of cells to the solid support and caused a very modest reduction (1.0 log) in the concentration of viable cells during the maturation phase. The results confirm that the photodynamic inactivation is a promising strategy to control installed biofilms and in preventing colonization. Curcumin, however, does not represent an advantageous alternative to porphyrins in the case of biofilms of Pseudomonas spp.

Post-synthetic modification of metal–organic frameworks

Post-synthetic modification (PSM) of metal-organic frameworks encompassing the chemical transformation of the linker present is a promising new route for engineering optical centres and tuning the light emission properties of materials, both in the visible and in the near infrared (NIR) spectral regions. Here, PSM of isoreticular metal-organic framework-3 (IRMOF-3) with ethyl oxalyl monochloride, ethyl acetoacetate, pentane-2,4-dione, 3-(2- hydroxyphenyl)-3-oxopropanal, 2-chloroacetic acid, glyoxylic acid, methyl vinyl ketone and diethyl (ethoxymethylene)malonate followed by chelation of trivalent lanthanide ions afforded intriguing near infrared (Nd3+) and visible (Eu3+, Tb3+) light emitters. IRMOF-3 was used as a case in point due to both its highly porous crystalline structure and the presence of non-coordinating amino groups on the benzenedicarboxylate (bdc) linker amenable to modification. The materials were characterised by elemental analysis, powder X-ray diffraction, optical, scanning and transmission electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, and liquid and solid-state nuclear magnetic resonance. The solid-state luminescence properties of Ln-modified-IRMOF-3 were investigated at room temperature. The presence of the bdc aromatic ring, β– diketonate and oxalate enhanced the Ln3+ sensitization via ligand-to-metal energy transfer (anthena effect). As far as photocalysis is concerned, we have synthesized metal−organic frameworks (Cr-MIL-125-AC, Ag-MIL-125-AC) by a green method (solid–vapors reactions). The resulting functionalized materials show a photocatalytic activity for methylene blue degradation up to 6.52 times larger than that of the commercial photocatalyst hombikat UV-100. These findings open the door for further research for improving the photocatalytic performance of metal-organic frameworks.

Avaliação da resposta sísmica de edifícios sitos em solos brandos estratificados

O Eurocódigo 8 exige um estudo mais aprofundado da resposta dinâmica de solos brandos classificados como tipo S1, tendo em vista o dimensionamento de edifícios. Neste trabalho apresenta-se uma metodologia visando a avaliação da segurança, ou o dimensionamento, de edifícios construídos sobre solos brandos estratificados. A metodologia proposta baseia-se nas velocidades das ondas de corte VS, obtidas de estudos geofísicos/geotécnicos, realizados in situ, tal como é proposto na parte 5 do EC8. A amplificação dinâmica das vibrações, em resultado dos contrastes das impedâncias dos diversos estratos, é obtida admitindo a propagação unidimensional das ondas sísmicas VS, na vertical, a partir do substrato rochoso. A resposta superficial é quantificada com base na análise não linear da coluna de solo sobre o substrato rochoso. A acção sísmica é caracterizada com base em vários acelerogramas “strong motion”, registados noutros países, em afloramentos rochosos, multiplicados por um factor de escala. Os factores de escala são obtidos de modo a que o espectro de resposta médio se ajuste ao espectro objectivo do EC8 (solo tipo A). A análise sísmica da estrutura do edifício é realizada com o espectro de resposta médio, que é obtido tendo em conta as funções de transferência determinadas para o terreno em estudo. Aplica-se a metodologia proposta a um caso de estudo no Algarve.