Mechanistic studies of reactions at the single-molecule level using microfluidics with applications in molecular diagnostics

Motivated by needs in molecular diagnostics and advances in microfabrication, researchers started to seek help from microfluidic technology, as it provides approaches to achieve high throughput, high sensitivity, and high resolution. One strategy applied in microfluidics to fulfill such requirements is to convert continuous analog signal into digitalized signal. One most commonly used example for this conversion is digital PCR, where by counting the number of reacted compartments (triggered by the presence of the target entity) out of the total number of compartments, one could use Poisson statistics to calculate the amount of input target.

However, there are still problems to be solved and assumptions to be validated before the technology is widely employed. In this dissertation, the digital quantification strategy has been examined from two angles: efficiency and robustness. The former is a critical factor for ensuring the accuracy of absolute quantification methods, and the latter is the premise for such technology to be practically implemented in diagnosis beyond the laboratory. The two angles are further framed into a “fate” and “rate” determination scheme, where the influence of different parameters is attributed to fate determination step or rate determination step. In this discussion, microfluidic platforms have been used to understand reaction mechanism at single molecule level. Although the discussion raises more challenges for digital assay development, it brings the problem to the attention of the scientific community for the first time.

This dissertation also contributes towards developing POC test in limited resource settings. On one hand, it adds ease of access to the tests by incorporating massively producible, low cost plastic material and by integrating new features that allow instant result acquisition and result feedback. On the other hand, it explores new isothermal chemistry and new strategies to address important global health concerns such as cyctatin C quantification, HIV/HCV detection and treatment monitoring as well as HCV genotyping.

Identification of the main allergen sensitizers in an Iran asthmatic population by molecular diagnosis

Background: There has been a significant growth in the prevalence of allergy, mainly associated to IgE-mediated disorders such as asthma and rhinitis. The identification of atopy in asthmatic patients through the measurement of specific IgE can help to identify risk factors that cause asthmatic symptoms in patients. The development and use of individualized allergen-based tests by the Component Resolved Diagnosis has been a crucial advance in the accurate diagnosis and control of allergic patients. The objective of this work was to assess the usefulness of molecular diagnosis to identify environmental allergens as possible factors influencing the development and manifestation of asthma in a group of asthmatic patients from Iran. Methods: Studied population: 202 adult asthmatic patients treated at the Loghman Hakim Hospital and Pasteur Institute of Teheran (Iran) from 2011 to 2012. Specific IgE determined by the ImmunoCAP system were used to both evaluate the patients' atopic condition and the molecules involved in the allergic sensitization. SDS-PAGE IgE-immunoblotting associated with mass spectrometry was carried out to study the cockroach IgE-binding sensitizing proteins. Results: Forty-five percent of all patients could be considered atopic individuals. Eighty-two percent of atopic patients were sensitized to pollen allergens. The Salsola kali (Sal k 1) and the Phleum pratense (rPhl p 1 and/or rPhl p 5) major allergens were the most common sensitizers among pollens (71% and 18%, respectively). Thirty-five percent of the atopic population was sensitized to cockroach. Four different allergens, including a previously unknown alpha-amylase, were identified in the cockroach extract. No significant associations could be demonstrated between the severity of asthma and the specific IgE levels in the atopic population. Statistical analysis identified the Sal k 1 as the main protein allergen influencing the development and expression of asthma in the studied population. Conclusions: Pollen and cockroach were the most relevant allergen sources in the asthmatic population. The Salsola kali major allergen was the main cause for sensitization in the atopic patients suffering asthma. Using the Component Resolved Diagnosis, it was possible to identify a new Blattella germanica cockroach allergen (Blattella alpha amylase 53 kDa) that could sensitize a relevant percentage of this population.

Estudo fenotípico e molecular de resistência aos antimicrobianos em amostras clínicas e ambientais de enterobactérias

Buscamos detectar evidências da presença de genes envolvidos na produção de Enzimas Modificadoras de Aminoglicosídeos (EMAs), Beta-lactamases de espectro estendido (ESBLs) e Mecanismos Plasmidiais de Resistência a Quinolonas (PMQRs) em cepas de K. pneumoniae, K. ozaenae e E. coli isoladas de amostras de água de rios afluentes da Baía de Guanabara e de materiais clínicos de origem hospitalar, além de avaliar o "status sanitário" dos corpos aquáticos abordados no tocante à contaminação fecal recente e indicações de contaminação hospitalar e por outros ambientes de alta seletividade. As cepas de materiais clínicos foram selecionadas entre Maio e Julho de 2010, a partir da semeadura em meio de cultura contendo 8g/mL de gentamicina. As amostras de água foram coletadas em Abril e em Julho de 2009. Realizamos testes de colimetria, empregando para tal, a metodologia convencional e outra, na qual adicionamos 32g/mL de cefalotina e 8g/mL de gentamicina aos caldos Lactosado e Escherichia coli (caldo EC), a fim de detectar e quantificar coliformes resistentes. Para o isolamento das cepas empregamos meios de cultura contendo 32g/mL de cefalotina e 8g/mL de gentamicina. As cepas foram identificadas e submetidas a testes de susceptibilidade aos antimicrobianos (TSA), testes presuntivos para presença de ESBLs, extração de DNA plasmidial e ensaios de Reação em Cadeia de Polimerase (PCR) para a detecção dos genes. A utilização de agentes antimicrobianos nos testes de colimetria nos permitiu detectar a presença e quantificar coliformes totais e fecais resistentes nas amostras de água analisadas nos diferentes pontos. O TSA das cepas isoladas de amostras de água exibiu perfis de multirresistência, compatíveis com o de bactérias de origem hospitalar, semelhante ao encontrado nas cepas isoladas de materiais clínicos. Todas as cepas isoladas de amostras de água e 90% das cepas de materiais clínicos apresentaram pelo menos uma banda plasmidial. Os ensaios de PCR evidenciaram a presença de produtos de amplificação para EMAs, ESBLs e PMQRs, sendo que 7,4% das cepas de amostras de água e 20% das cepas de materiais clínicos apresentaram produtos de amplificação para as três classes de antimicrobianos. A realização de testes de colimetria empregando antimicrobianos, como gentamicina e cefalotina, pode ser uma ferramenta adicional importante ao teste convencional, quando o interesse for, o monitoramento e a prevenção de contaminação ambiental, especialmente associada a microrganismos carreando genes de resistência. O uso criterioso de antimicrobianos em atividades de cunho hospitalar e veterinário e medidas no sentido de prevenção de lançamento de esgoto e/ou tratamento dos efluentes, são fundamentais para o controle da disseminação de elementos genéticos de resistência transferíveis entre os microrganismos. A detecção e identificação de microrganismos apresentando elementos de resistência em ambiente extra-hospitalar como em água e solo, em particular, o emprego de testes de colimetria empregando antimicrobianos, se faz necessária, como forma de prevenção e controle de disseminação destes microrganismos com potencial de causar infecções em humanos e outros animais que eventualmente entram em contato com estes ambientes.

Caracterização fenotípica e molecular de amostras de Enterococcus isoladas em hospitais da cidade do Natal/ RN

O gênero Enterococcus tem emergindo como um dos mais importantes patógenos em infecções relacionadas à assistência à saúde no mundo. Estes microrganismos apresentam habilidade de adquirir genes de resistência a vários antimicrobianos, incluíndo à vancomicina, além de possuir diversos fatores associados à virulência, que contribuem sobremaneira para a sua permanência no hospedeiro, facilitando sua disseminação, particularmente, no ambiente hospitalar. Os objetivos deste estudo foram caracterizar, por testes fenotípicos e genotípicos, amostras de Enterococcus isoladas de quadros infecciosos em pacientes atendidos em quatro instituições de saúde localizadas na cidade do Natal, RN, no período de setembro de 2010 a junho de 2011. As espécies de Enterococcus foram caracterizadas por testes fisiológicos convencionais e por reação em cadeia da polimerase (PCR) multiplex, utilizando oligonucleotídeos específicos para caracterização do gênero e espécies. O perfil de susceptibilidade aos antimicrobianos foi avaliado por testes de difusão em ágar. Os valores de concentração inibitória mínima (CIM) para vancomicina, teicoplanina e linezolida foram determinados pelo emprego do teste E; e o genótipo de resistência à vancomicina foi analisado por PCR. Genes associados à virulência (asa1, cylA, esp, gelE e hyl) foram detectados por ensaios de PCR multiplex. O polimorfismo genético das amostras bacterianas foi avaliado por metodologia de eletroforese em campo pulsado (PFGE), com a utilização da enzima SmaI. Foram obtidas 117 amostras, a partir de quadros infecciosos em 116 pacientes. Os resultados revelaram que a espécie E. faecalis foi a prevalente (91,4%). Os testes de susceptibilidade revelaram que as taxas de resistência mais elevadas estiveram associadas à tetraciclina (58,2%) e a níveis elevados de estreptomicina (36,7%). A resistência à vancomicina foi detectada em uma amostra de E. faecium, portadora do genótipo vanA, correspondendo ao primeiro isolamento de amostra com essa característica de resistência no RN. Esta amostra foi isolada em um caso de co-infecção com E. faecalis sensível à vancomicina. Adicionalmente, susceptibilidade intermediária a linezolida foi identificada em três amostras de E. faecalis. Dentre os determinantes de virulência identificados, gelE foi o prevalente (83,8%). De acordo com as espécies E. faecalis o perfil mais detectado foi gelE + esp (31,6%), na espécie E. faecium foi o perfil esp (28,6%) e a única amostra de E. gallinarum apresentou dois determinantes de virulência (asa1 + cylA). O gene hyl não foi identificado em nenhuma das amostras. A análise do polimorfismo genético das amostras por PFGE evidenciou uma elevada policlonalidade. Diante das características de resistência e de virulência observadas e da sinalização da emergência de mecanismos de resistência importantes no Estado do RN, este estudo chama atenção para a necessidade de rastreamento, particularmente entre portadores sadios, e estabelecimento de políticas de controle da disseminação dessas amostras nas instituições de saúde, mesmo em regiões onde tais características ainda sejam pouco frequentes.

HPV infection, a described cause for human cancer: HPV detection and molecular mechanisms of HPV carcinogenesis (Review).

[en]Human papillomavirus (HPV) belongs to the Papillomaviridae virus family and it is one of the most common sexual transmission infections. HPV genome is composed of eight genes, including two early genes and six late genes. Among these late genes, E6 and E7 code for proteins that trigger cell-cycle re-entry in infected cells, which can lead to cervical cancer development. The IARC (International Agency for Research Cancer) proposed a guideline based on Hill’s criteria to determine whether the relation between HPV infection and cervical cancer is causal or not. Epidemiological studies have demonstrated that HPV infection is a necessary but non-sufficient cause for cervical cancer. Furthermore, HPV infection is considered the first necessary cause described of a human cancer, being HPV16 and 18 carcinogenic to humans and the most studied types. Cervical cancer is the second leading cause of cancer death among women worldwide. Different screening programs are carried out with the aim of preventing cervical cancer; such as cytologies and HPV tests. There are two main methods which are equally usable to detect HPV: the real-time PCR assays and the array assays. Regarding the molecular mechanisms of HPV mediated malignancies, E2, E6 and E7 proteins of HPV16 lead to immune response evasion, inducing IL-10 and TGF-β1 gene expression. Besides, E6 and E7 proteins allow cell-cycle reentry, phosphorylating RB and ubiquitinating p53 respectively. HPV genome integration in host genome leads to the alteration of host and viral genes expression, including oncogenes and tumor suppressor genes. However, the differences of E6 and E7 oncoproteins in different HPV types is poorly known due to the fact that almost the most studied HPV type has been HPV16.

Caracterização fenotípica e molecular de amostras de Enterococcus isoladas em um hospital universitário da cidade do Rio de Janeiro

Os enterococos estão amplamente distribuídos no ambiente. Nos seres humanos, compõem a microbiota do trato gastrintestinal, da cavidade oral e do trato geniturinário. Nas últimas décadas, esses microrganismos se tornaram importantes agentes etiológicos de infecções hospitalares. Uma característica marcante desses microrganismos é a resistência intrínseca a vários antimicrobianos utilizados habitualmente no tratamento de infecções, além de alguns fatores que tem sido relacionado à virulência de enterococos. Este estudo investigou a presença de enterococos em amostras de infecção e colonização de pacientes hospitalizados, profissionais de saúde, dietas hospitalares e manipuladores de alimentos. Foram analisadas 276 amostras de colonização, de quadros de infecção, dietas orais e manipuladores de alimento. Não foram recuperadas amostras dos profissionais de saúde. Todas as amostras foram submetidas a testes convencionais de caracterização do gênero e espécies. Testes de susceptibilidade aos antimicrobianos foram empregados pelo método de disco difusão, além da CIM para vancomicina e teicoplanina. A produção de biofilme e a expressão da gelatinase também foram avaliadas. Os genes de resistência a gentamicina, estreptomicina e vancomicina e os genes de virulência cylA, esp e fsr foram pesquisados pela técnica de PCR. O polimorfismo genético foi determinado por PFGE. A espécie E. faecalis foi a prevalente nas amostras isoladas de colonização e infecção (42,2% e 81,9%, respectivamente). E. casseliflavus (58,9%) foi a mais freqüente dentre as amostras das dietas hospitalares e E. faecium (46,7%) de manipuladores. Dentre as amostras de colonização as maiores taxas de resistência foram observadas para eritromicina (76,3%) e ciprofloxacina (53,9%). Dentre as amostras de infecção, >70% foram resistentes a eritromicina, ciprofloxacina e tetraciclina. Resistência a níveis elevados de gentamcina (HLR-GE) e estreptomicina (HLR-ST) foi detectada em 24,6% e 20,4% das amostras, respectivamente, e todas foram portadoras dos respectivos genes. A maioria das amostras de colonização (52,6%) e infecção (55,7%) foram multirresistentes. A taxa para resistência a níveis elevados de vancomicina foi de 5,2% e todas eram portadoras do gene vanA. Em relação a formação de biofilme, 70,2% foram produtoras, com uma maior freqüência dentre as de infecção. A expressão de gelatinase foi detectada em 28,9% e 44,3% das amostras de colonização e infecção, respectivamente. Nenhuma das amostras isoladas das dietas hospitalares e de manipuladores expressou gelatinase. Nas amostras pertencentes as espécies E. faecalis e E. faecium (n=109) 16,5%, 51,4% e 48,6% apresentaram produtos de amplificação referentes aos genes cylA, esp e fsr, respectivamente. A análise do polimorfismo genético revelou uma extensa diversidade dentre as amostras pertencentes as espécies E. faecalis e E. faecium, não acarretando um perfil eletroforético prevalente. Entretanto, foi observado um perfil único dentre as amostras de E. gallinarum resistentes a vancomicina (vanA). Este estudo mostrou que amostras de enterococos isoladas de diferentes fontes, não só de quadros infecciosos, podem representar um risco para a população, apontando para uma maior reflexão quanto ao papel desses microrganismos nas infecções humanas, particularmente no ambiente hospitalar.

Processos de formação de ligações cruzadas de polietileno de alto peso molecular

No projeto desenvolvido, ligações cruzadas foram formadas no polietileno de alta densidade e alto peso molecular, grade HS5103, através dos processos reticulação por peróxidos e silanos, com o objetivo de se avaliar o efeito da introdução de ligações cruzadas nas propriedades térmicas e mecânicas deste PEAD. Misturas entre o HS5103 e os peróxidos orgânicos, 2,5-Dimetil-2,5-di(terc-butilperoxi)hexano (DHBP) e peróxido de dicumila (DCP), foram produzidas e analisadas para a avaliação do efeito dos tipos de peróxido na reticulação e propriedades do PEAD e para determinação da concentração e do tipo de peróxido a ser utilizado como agente iniciador de reticulação por silano. Ensaios de índice de fluidez (MFI), reometria capilar, extração de polímero por xileno (teor de gel), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria diferencial de varredura (DSC) e tração foram realizados para caracterização das misturas com peróxidos. Os resultados indicaram aumento da viscosidade com o aumento da concentração de peróxido, sendo o DHBP o que apresentou maior índice de aumento; não houve mudanças relevantes nas propriedades mecânicas e, ocorreu aumento do grau de cristalinidade, sendo mais significativo nas amostras com DCP. Após avaliação dos resultados citados, para as amostras a serem reticuladas via silano, foi promovida a graftização de diferentes concentrações de viniltrimetóxisilano (VTMS) na presença de 0,01%p/p de DCP com a adição de 0,05%p/p de catalisador, posteriormente a reticulação foi promovida em água. As amostras produzidas foram caracterizadas por ensaios de teor de gel, análise dinâmico-mecânica (DMA), espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR), TGA, ensaios de desgaste por deslizamento e tração. Nas amostras com silano a formação de ligações cruzadas foi gradativa, apresentando de 8% de gel para amostra com 0,5%p/p de VTMS a 57 % para amostra com1,5% p/p de silano, maior concentração utilizada. A análise dinâmico-mecânica (DMA) realizada evidenciou que houve um aumento densidade de ligações cruzadas e do módulo de armazenamento após temperatura de fusão com o teor de silano, concordando com os resultados de teor de gel. As análises de FTIR mostraram que houve a graftização e a formação de ligações cruzadas no PEAD HS5103. Não se observou um aumento significativo para o limite de resistência para o PEAD modificado. E os testes de desgaste por deslizamento indicaram um aumento da resistência ao desgaste das amostras reagidas com VTMS.

Caracterização molecular de bastonetes Gram positivos irregulares e actinomicetos aeróbios obtidos de espécimes clínicos, de ensaios de esterilidade e de áreas limpas

Os bastonetes Gram positivos irregulares (BGPIs) compõem um grupo de espécies bacterianas com ampla diversidade fenotípica e que podem estar presente no meio ambiente, na microbiota humana e de animais. A identificação acurada de BGPIs em nível de gênero e espécie empregando métodos bioquímicos convencionais é bastante limitada, sendo recomendado, portanto, o uso de técnicas moleculares. No presente estudo, foram identificadas amostras de BGPIs oriundas de espécimes clínicos de humanos, de produtos farmacêuticos e de áreas limpas através da análise de sequencias do gene 16S rRNA e de outros genes conservados (housekeeping genes). Os resultados obtidos pelo sequenciamento dos genes 16S rRNA e rpoB demonstraram C. striatum multi-resistente (MDR) como responsável por surto epidêmico em ambiente hospitalar da cidade do Rio de Janeiro. Quinze cepas de C. striatum foram isoladas em cultura pura a partir de secreção traqueal de pacientes adultos submetidos a procedimentos de entubação endotraqueal. A análise por eletroforese em gel de campo pulsado (PFGE) indicou a presença de quatro perfis moleculares, incluindo dois clones relacionados com cepas MDR (PFGE I e II). Os dados demonstram a predominância de PFGE I entre cepas MDR isoladas de unidades de terapia intensiva e enfermarias cirúrgicas. Uma potencial ligação causal entre a morte e a infecção por C. striatum MDR (PFGE tipos I e II) foi observada em cinco casos. Adicionalmente, acreditamos que este seja o primeiro estudo de identificação de espécies de Nocardia relacionadas com infecções humanas pela análise da sequencia multilocus (MLSA) no Brasil. Diferente dos dados observados na literatura (1970 a 2013) e obtidos pelos testes fenotípicos convencionais, a caracterização molecular de quatro lócus (gyrB-16S-secA1-hsp65) permitiu a identificação das espécies N. nova, N. cyriacigeorgica, N. asiatica e N. exalbida/gamkensis relacionadas com quadros de nocardiose em humanos. Cepas de N. nova isoladas de diferentes materiais clínicos de um único paciente apresentaram padrões de susceptibilidade antimicrobianos idênticos e dois perfis PFGE, indicando a possibilidade de quadros de co-infecção por N. nova em humanos. Em outra etapa da investigação, amostras de BGPIs obtidos de ambientes de salas limpas que não puderam ser identificadas por critérios convencionais foram submetidas a análise da sequência do gene 16S rRNA e caracterizadas 95,83% em nível de gênero e 35,42% em espécies. Para gêneros mais encontrados no estudo, foram analisados os genes rpoB e recA de dezessete cepas de Microbacterium e utilizado o MLSA para a identificação de sete cepas identificadas como Streptomyces. Os ensaios permitiram a identificação de três cepas de Microbacterium e de uma única amostra de Streptomyces ao nível de espécie. A análise da sequencia do gene rpoB também se mostrou eficaz na identificação de espécies de cepas de Corynebacterium. Finalmente, para as cepas ambientais pertencentes à classe Actinobacteria os dados morfológicos, bioquímicos e genotípicos permitiram documentar a cepa 3117BRRJ como representante de uma nova espécie do gênero Nocardioides, para o qual o nome Nocardioides brasiliensis sp. nov. e as cepas 3712BRRJ e 3371BRRJ como representante de um novo gênero e espécie para o qual o nome Guaraldella brasiliensis nov. foi proposto.

Molecular phylogeography and population structure of a mid-elevation montane frog Leptobrachium ailaonicum in a fragmented habitat of southwest China

Leptobrachium ailaonicum is a vulnerable anuran restricted to a patchy distribution associated with small mountain streams surrounded by forested slopes at mid-elevations (approximately 2000-2600 m) in the subtropical Mount Wuliang and Mount Ailao ranges in southwest China (Yunnan Province) and northern Vietnam. Given high habitat specificity and lack of suitable habitat in lower elevations between these ranges, we hypothesized limited gene flow between populations throughout its range. We used two mitochondrial genes to construct a phylogeographic pattern within this species in order to test our hypothesis. We also examined whether this phylogeographic pattern is a response to past geological events and/or climatic oscillations. A total of 1989 base pairs were obtained from 81 individuals of nine populations yielding 51 unique haplotypes. Both Bayesian and maximum parsimony phylogenetic analyses revealed four deeply divergent and reciprocally monophyletic mtDNA lineages that approximately correspond to four geographical regions separated by deep river valleys. These results suggest a long history of allopatric separation by vicariance. The distinct geographic distributions of four major clades and the estimated divergence time suggest spatial and temporal separations that coincide with climatic and paleogeographic changes following the orogeny and uplift of Mount Ailao during the late Miocene to mid Pliocene in southwest China. At the southern distribution, the presence of two sympatric yet differentiated clades in two areas are interpreted as a result of secondary contact between previously allopatric populations during cooler Pleistocene glacial cycles. Analysis of molecular variance indicates that most of the observed genetic variation occurs among the four regions implying long-term interruption of maternal gene flow, suggesting that L ailaonicum may represent more than one distinct species and should at least be separated into four management units corresponding to these four geographic lineages for conservation. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

The high strain rate response of Ultra High Molecular-weight Polyethylene: From fibre to laminate

The effect of strain rate upon the uniaxial response of Ultra High Molecular-weight Polyethylene (UHMWPE) fibres, yarns and laminates of lay-up [0/90]48 has been measured in both the 0/90 and ±45 configurations. The tensile strength of the matrix-dominated ±45 laminate is two orders of magnitude less than that of the fibre-dominated 0/90 laminate, and is more sensitive to strain rate. A piezoelectric force sensor device was developed to obtain the high strain rate data, and this achieved a rise time of less than 1 μs. It is found that the failure strength (and failure strain) of the yarn is almost insensitive to strain rate within the range (10 -1-103 s-1). At low strain rates (below 10 -1 s-1), creep of the yarn dominates and the failure strain increases with diminishing strain rate. The tensile strength of the dry yarn exceeds that of the laminate by about 20%. Tests on single fibres exceed the strength of the yarn by 20%. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Tests of an adaptive QM/MM calculation on free energy profiles of chemical reactions in solution.

We present reaction free energy calculations using the adaptive buffered force mixing quantum mechanics/molecular mechanics (bf-QM/MM) method. The bf-QM/MM method combines nonadaptive electrostatic embedding QM/MM calculations with extended and reduced QM regions to calculate accurate forces on all atoms, which can be used in free energy calculation methods that require only the forces and not the energy. We calculate the free energy profiles of two reactions in aqueous solution: the nucleophilic substitution reaction of methyl chloride with a chloride anion and the deprotonation reaction of the tyrosine side chain. We validate the bf-QM/MM method against a full QM simulation, and show that it correctly reproduces both geometrical properties and free energy profiles of the QM model, while the electrostatic embedding QM/MM method using a static QM region comprising only the solute is unable to do so. The bf-QM/MM method is not explicitly dependent on the details of the QM and MM methods, so long as it is possible to compute QM forces in a small region and MM forces in the rest of the system, as in a conventional QM/MM calculation. It is simple, with only a few parameters needed to control the QM calculation sizes, and allows (but does not require) a varying and adapting QM region which is necessary for simulating solutions.

Collapse of a composite beam made from ultra high molecular-weight polyethylene fibres

Hot-pressed laminates with a [0/90]48 lay-up, consisting of 83% by volume of ultra high molecular-weight polyethylene (UHMWPE) fibres, and 17% by volume of polyurethane (PU) matrix, were cut into cantilever beams and subjected to transverse end-loading. The collapse mechanisms were observed both visually and by X-ray scans. Short beams deform elastically and collapse plastically in longitudinal shear, with a shear strength comparable to that observed in double notch, interlaminar shear tests. In contrast, long cantilever beams deform in bending and collapse via a plastic hinge at the built-in end of the beam. The plastic hinge is formed by two wedge-shaped microbuckle zones that grow in size and in intensity with increasing hinge rotation. This new mode of microbuckling under macroscopic bending involves both elastic bending and shearing of the plies, and plastic shear of the interface between each ply. The double-wedge pattern contrasts with the more usual parallel-sided plastic microbuckle that occurs in uniaxial compression. Finite element simulations and analytical models give additional insight into the dominant material and geometric parameters that dictate the collapse response of the UHMWPE composite beam in bending. Detailed comparisons between the observed and predicted collapse responses are used in order to construct a constitutive model for laminated UHMWPE composites. © 2013 Elsevier Ltd.

Molecular evidence for diphyly of the Asian catfish family Amblycipitidae (Teleostei: Siluriformes) and exclusion of the South American Aspredinidae from Sisoroidea

Amblycipitidae Day, 1873 is an Asian family of catfishes (Siluriformes) usually considered to contain 28 species placed in three genera: Amblyceps (14 spp.), Liobagrus (12 spp.) and Xiurenbagrus (2 spp.). Morphology-based systematics has supported the monophyly of this family, with some authors placing Amblycipitidae within a larger group including Akysidae, Sisoridae and Aspredinidae, termed the Sisoroidea. Here we investigate the phylogenetic relationships among four species of Amblyceps, six species of Liobagrus and the two species of Xiurenbagrus with respect to other sisoroid taxa as well as other catfish groups using 6100 aligned base pairs of DNA sequence data from the rag1 and rag2 genes of the nuclear genome and from three regions (cyt b, COL ND4 plus tRNA-His and tRNA-Ser) of the mitochondrial genome. Parsimony and Bayesian analyses of the data indicate strong support for a diphyletic Amblycipitidae in which the genus Amblyceps is the sister group to the Sisoridae and a clade formed by genera Liobagrus and Xiurenbagrus is the sister group to Akysidae. These taxa together form a well supported monophyletic group that assembles all Asian sisoroid taxa, but excludes the South American Aspredinidae. Results for aspredinids are consistent with previous molecular studies that indicate these catfishes are not sisoroids, but the sister group to the South American doradoid catfishes (Auchenipteridae + Doradidae). The redefined sisoroid clade plus Bagridae, Horabagridae and (Ailia + Laides) make up a larger monophyletic group informally termed "Big Asia." Likelihood-based SH tests and Bayes Factor comparisons of the rag and the mitochondrial data partitions considered separately and combined reject both the hypothesis of amblycipitid monophyly and the hypothesis of aspredinid inclusion within Sisoroidea. This result for amblycipitids conflicts with a number of well documented morphological synapomorphies that we briefly review. Possible nomenclatural changes for amblycipitid taxa are noted.

Biogeography and molecular phylogeny of the genus Schizothorax (Teleostei : Cyprinidae) in China inferred from cytochrome b sequences

Aim: To test a vicariant speciation hypothesis derived from geological evidence of large-scale changes in drainage patterns in the late Miocene that affected the drainages in the south-eastern Tibetan Plateau. Location: The Tibetan Plateau and adjacent areas. Methods: The cytochrome b DNA sequences of 30 species of the genus Schizothorax from nine different river systems were analysed. These DNA sequences were analysed using parsimony, maximum likelihood and Bayesian methods. The approximately unbiased and Shimodaira-Hasegawa tests were applied to evaluate the statistical significance of the shortest trees relative to alternative hypotheses. Dates of divergences between lineages were estimated using the nonparametric rate smoothing method, and confidence intervals of dates were obtained by parametric bootstrapping. Results: The phylogenetic relationships recovered from molecular data were inconsistent with traditional taxonomy, but apparently reflected geographical associations with rivers. Within the genus Schizothorax, we observed a divergence between the lineages from the Irrawaddy-Lhuit and Tsangpo-Parlung rivers, and tentatively dated this vicariant event back to the late Miocene (7.3-6.8 Ma). We also observed approximately simultaneous geographical splits within drainages of the south-eastern Tibetan Plateau, the Irrawaddy, the Yangtze and the Mekong-Salween rivers in the late Miocene (7.1-6.2 Ma). Main conclusions: Our molecular evidence tentatively highlights the importance of palaeoriver connections and the uplift of the Tibetan Plateau in understanding the evolution of the genus Schizothorax. Molecular estimates of divergence times allowed us to date these vicariant scenarios back to the late Miocene, which agrees with geological suggestions for the separation of these drainages caused by tectonic uplift in south-eastern Tibet. Our results indicated the substantial role of vicariant-based speciation in shaping the current distribution pattern of the genus Schizothorax.

Comparative molecular population genetics of phycoerythrin locus in Prochlorococcus

As the only remainder type of phycobiliproteins in Prochlorococcus, the actual role of phycoerythrin still remains unknown. Previous studies revealed that two different forms of phycoerythrin gene were found in two ecotypes of Prochlorococcus that are specifically adapted to either high light (HL) or low light (LL) conditions. Here we analyze patterns of phycoerythrin nucleotide variation in the HL- and LL-Prochlorococcus populations. Our analyses reveal a significantly greater number of non-synonymous fixed substitutions in peB and peA than expected based on interspecific comparisons. This pattern of excess non-synonymous fixed substitutions is not seen in other five phycoerythrin-related genes (peZ/V/Y/T/S). Several neutrality statistical tests indicate an excess of rare frequency polymorphisms in the LL-Prochlorococcus data, but an excess of intermediate frequency polymorphisms in the HL-Prochlorococcus data. Distributions of the positively selected sites identified using the likelihood ratio test, when mapped onto the phycoerythrin tertiary structure, reveal that HL- and LL-phycoerythrin should be under different selective patterns. These findings may provide insights into the likely role of selection at the phycoerythrin locus and motivate further research to unveil the function of phycoerythrin in Prochlorococcus.