Engineering enzyme systems by recombination

Homologous recombination is a source of diversity in both natural and directed evolution. Standing genetic variation that has passed the test of natural selection is combined in new ways, generating functional and sometimes unexpected changes. In this work we evaluate the utility of homologous recombination as a protein engineering tool, both in comparison with and combined with other protein engineering techniques, and apply it to an industrially important enzyme: Hypocrea jecorina Cel5a.

Chapter 1 reviews work over the last five years on protein engineering by recombination. Chapter 2 describes the recombination of Hypocrea jecorina Cel5a endoglucanase with homologous enzymes in order to improve its activity at high temperatures. A chimeric Cel5a that is 10.1 °C more stable than wild-type and hydrolyzes 25% more cellulose at elevated temperatures is reported. Chapter 3 describes an investigation into the synergy of thermostable cellulases that have been engineered by recombination and other methods. An engineered endoglucanase and two engineered cellobiohydrolases synergistically hydrolyzed cellulose at high temperatures, releasing over 200% more reducing sugars over 60 h at their optimal mixture relative to the best mixture of wild-type enzymes. These results provide a framework for engineering cellulolytic enzyme mixtures for the industrial conditions of high temperatures and long incubation times.

In addition to this work on recombination, we explored three other problems in protein engineering. Chapter 4 describes an investigation into replacing enzymes with complex cofactors with simple cofactors, using an E. coli enolase as a model system. Chapter 5 describes engineering broad-spectrum aldehyde resistance in Saccharomyces cerevisiae by evolving an alcohol dehydrogenase simultaneously for activity and promiscuity. Chapter 6 describes an attempt to engineer gene-targeted hypermutagenesis into E. coli to facilitate continuous in vivo selection systems.

Avaliação de proposições matemáticas para interpretação do comportamento de solos residuais não saturados

Nas últimas décadas, teorias têm sido formuladas para interpretar o comportamento de solos não saturados e estas têm se mostrado coerentes com resultados experimentais. Paralelamente, várias técnicas de campo e de laboratório têm sido desenvolvidas. No entanto, a determinação experimental dos parâmetros dos solos não saturados é cara, morosa, exige equipamentos especiais e técnicos experientes. Como resultado, essas teorias têm aplicação limitada a pesquisas acadêmicas e são pouco utilizados na prática da engenharia. Para superar este problema, vários pesquisadores propuseram equações para representar matematicamente o comportamento de solos não saturados. Estas proposições são baseadas em índices físicos, caracterização do solo, em ensaios convencionais ou simplesmente em ajustes de curvas. A relação entre a umidade e a sucção matricial, convencionalmente denominada curva característica de sucção do solo (SWCC) é também uma ferramenta útil na previsão do comportamento de engenharia de solos não saturados. Existem muitas equações para representar matematicamente a SWCC. Algumas são baseadas no pressuposto de que sua forma está diretamente relacionada com a distribuição dos poros e, portanto, com a granulometria. Nestas proposições, os parâmetros são calibrados pelo ajuste da curva de dados experimentais. Outros métodos supõem que a curva pode ser estimada diretamente a partir de propriedades físicas dos solos. Estas propostas são simples e conveniente para a utilização prática, mas são substancialmente incorretas, uma vez que ignoram a influência do teor de umidade, nível de tensões, estrutura do solo e mineralogia. Como resultado, a maioria tem sucesso limitado, dependendo do tipo de solo. Algumas tentativas têm sido feitas para prever a variação da resistência ao cisalhamento com relação a sucção matricial. Estes procedimentos usam, como uma ferramenta, direta ou indiretamente, a SWCC em conjunto com os parâmetros efetivos de resistência c e . Este trabalho discute a aplicabilidade de três equações para previsão da SWCC (Gardner, 1958; van Genuchten, 1980; Fredlund; Xing, 1994) para vinte e quatro amostras de solos residuais brasileiros. A adequação do uso da curva característica normalizada, proposta por Camapum de Carvalho e Leroueil (2004), também foi investigada. Os parâmetros dos modelos foram determinados por ajuste de curva, utilizando técnicas de problema inverso; dois métodos foram usados: algoritmo genético (AG) e Levenberq-Marquardt. Vários parâmetros que influênciam o comportamento da SWCC são discutidos. A relação entre a sucção matricial e resistência ao cisalhamento foi avaliada através de ajuste de curva utilizando as equações propostas por Öberg (1995); Sällfors (1997), Vanapalli et al., (1996), Vilar (2007); Futai (2002); oito resultados experimentais foram analisados. Os vários parâmetros que influênciam a forma da SWCC e a parcela não saturadas da resistência ao cisalhamento são discutidos.

Development of Microfluidic Devices with the Use of Nanotechnology to Aid in the Analysis of Biological Systems Including Membrane Protein Separation, Single Cell Analysis, and Genetic Markers

Computation technology has dramatically changed the world around us; you can hardly find an area where cell phones have not saturated the market, yet there is a significant lack of breakthroughs in the development to integrate the computer with biological environments. This is largely the result of the incompatibility of the materials used in both environments; biological environments and experiments tend to need aqueous environments. To help aid in these development chemists, engineers, physicists and biologists have begun to develop microfluidics to help bridge this divide. Unfortunately, the microfluidic devices required large external support equipment to run the device. This thesis presents a series of several microfluidic methods that can help integrate engineering and biology by exploiting nanotechnology to help push the field of microfluidics back to its intended purpose, small integrated biological and electrical devices. I demonstrate this goal by developing different methods and devices to (1) separate membrane bound proteins with the use of microfluidics, (2) use optical technology to make fiber optic cables into protein sensors, (3) generate new fluidic devices using semiconductor material to manipulate single cells, and (4) develop a new genetic microfluidic based diagnostic assay that works with current PCR methodology to provide faster and cheaper results. All of these methods and systems can be used as components to build a self-contained biomedical device.

Muitiobjective pressurized water reactor reload core design by nondominated genetic algorithm search

The design of pressurized water reactor reload cores is not only a formidable optimization problem but also, in many instances, a multiobjective problem. A genetic algorithm (GA) designed to perform true multiobjective optimization on such problems is described. Genetic algorithms simulate natural evolution. They differ from most optimization techniques by searching from one group of solutions to another, rather than from one solution to another. New solutions are generated by breeding from existing solutions. By selecting better (in a multiobjective sense) solutions as parents more often, the population can be evolved to reveal the trade-off surface between the competing objectives. An example illustrating the effectiveness of this novel method is presented and analyzed. It is found that in solving a reload design problem the algorithm evaluates a similar number of loading patterns to other state-of-the-art methods, but in the process reveals much more information about the nature of the problem being solved. The actual computational cost incurred depends: on the core simulator used; the GA itself is code independent.