Towards reverse engineering of Photosystem II: Synergistic Computational and Experimental Approaches

ABSTRACT Photosystem II (PSII) of oxygenic photosynthesis has the unique ability to photochemically oxidize water, extracting electrons from water to result in the evolution of oxygen gas while depositing these electrons to the rest of the photosynthetic machinery which in turn reduces CO2 to carbohydrate molecules acting as fuel for the cell. Unfortunately, native PSII is unstable and not suitable to be used in industrial applications. Consequently, there is a need to reverse-engineer the water oxidation photochemical reactions of PSII using solution-stable proteins. But what does it take to reverse-engineer PSII’s reactions? PSII has the pigment with the highest oxidation potential in nature known as P680. The high oxidation of P680 is in fact the driving force for water oxidation. P680 is made up of a chlorophyll a dimer embedded inside the relatively hydrophobic transmembrane environment of PSII. In this thesis, the electrostatic factors contributing to the high oxidation potential of P680 are described. PSII oxidizes water in a specialized metal cluster known as the Oxygen Evolving Complex (OEC). The pathways that water can take to enter the relatively hydrophobic region of PSII are described as well. A previous attempt to reverse engineer PSII’s reactions using the protein scaffold of E. coli’s Bacterioferritin (BFR) existed. The oxidation potential of the pigment used for the BFR ‘reaction centre’ was measured and the protein effects calculated in a similar fashion to how P680 potentials were calculated in PSII. The BFR-RC’s pigment oxidation potential was found to be 0.57 V, too low to oxidize water or tyrosine like PSII. We suggest that the observed tyrosine oxidation in BRF-RC could be driven by the ZnCe6 di-cation. In order to increase the efficiency of iii tyrosine oxidation, and ultimately oxidize water, the first potential of ZnCe6 would have to attain a value in excess of 0.8 V. The results were used to develop a second generation of BFR-RC using a high oxidation pigment. The hypervalent phosphorous porphyrin forms a radical pair that can be observed using Transient Electron Paramagnetic Resonance (TR-EPR). Finally, the results from this thesis are discussed in light of the development of solar fuel producing systems.

Modeling Metal Protein Complexes from Experimental Extended X-ray Absorption Fine Structure using Computational Intelligence

Experimental Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) spectra carry information about the chemical structure of metal protein complexes. However, pre- dicting the structure of such complexes from EXAFS spectra is not a simple task. Currently methods such as Monte Carlo optimization or simulated annealing are used in structure refinement of EXAFS. These methods have proven somewhat successful in structure refinement but have not been successful in finding the global minima. Multiple population based algorithms, including a genetic algorithm, a restarting ge- netic algorithm, differential evolution, and particle swarm optimization, are studied for their effectiveness in structure refinement of EXAFS. The oxygen-evolving com- plex in S1 is used as a benchmark for comparing the algorithms. These algorithms were successful in finding new atomic structures that produced improved calculated EXAFS spectra over atomic structures previously found.

Optimizing Computational Frameworks to Study the Influence of the Protein Environment on the Individual Site Energies of Chromophores in Photosystem II of Photosynthesis

Photosynthesis is a process in which electromagnetic radiation is converted into chemical energy. Photosystems capture photons with chromophores and transfer their energy to reaction centers using chromophores as a medium. In the reaction center, the excitation energy is used to perform chemical reactions. Knowledge of chromophore site energies is crucial to the understanding of excitation energy transfer pathways in photosystems and the ability to compute the site energies in a fast and accurate manner is mandatory for investigating how protein dynamics ef-fect the site energies and ultimately energy pathways with time. In this work we developed two software frameworks designed to optimize the calculations of chro-mophore site energies within a protein environment. The first is for performing quantum mechanical energy optimizations on molecules and the second is for com-puting site energies of chromophores in a fast and accurate manner using the polar-izability embedding method. The two frameworks allow for the fast and accurate calculation of chromophore site energies within proteins, ultimately allowing for the effect of protein dynamics on energy pathways to be studied. We use these frame-works to compute the site energies of the eight chromophores in the reaction center of photosystem II (PSII) using a 1.9 Å resolution x-ray structure of photosystem II. We compare our results to conflicting experimental data obtained from both isolat-ed intact PSII core preparations and the minimal reaction center preparation of PSII, and find our work more supportive of the former.

On Complexity of Lobbying in Multiple Referenda

In this paper we show that lobbying in conditions of “direct democracy” is virtually impossible, even in conditions of complete information about voters preferences, since it would require solving a very computationally hard problem. We use the apparatus of parametrized complexity for this purpose.

Timing verification in transaction modeling

Les systèmes Matériels/Logiciels deviennent indispensables dans tous les aspects de la vie quotidienne. La présence croissante de ces systèmes dans les différents produits et services incite à trouver des méthodes pour les développer efficacement. Mais une conception efficace de ces systèmes est limitée par plusieurs facteurs, certains d'entre eux sont: la complexité croissante des applications, une augmentation de la densité d'intégration, la nature hétérogène des produits et services, la diminution de temps d’accès au marché. Une modélisation transactionnelle (TLM) est considérée comme un paradigme prometteur permettant de gérer la complexité de conception et fournissant des moyens d’exploration et de validation d'alternatives de conception à des niveaux d’abstraction élevés. Cette recherche propose une méthodologie d’expression de temps dans TLM basée sur une analyse de contraintes temporelles. Nous proposons d'utiliser une combinaison de deux paradigmes de développement pour accélérer la conception: le TLM d'une part et une méthodologie d’expression de temps entre différentes transactions d’autre part. Cette synergie nous permet de combiner dans un seul environnement des méthodes de simulation performantes et des méthodes analytiques formelles. Nous avons proposé un nouvel algorithme de vérification temporelle basé sur la procédure de linéarisation des contraintes de type min/max et une technique d'optimisation afin d'améliorer l'efficacité de l'algorithme. Nous avons complété la description mathématique de tous les types de contraintes présentées dans la littérature. Nous avons développé des méthodes d'exploration et raffinement de système de communication qui nous a permis d'utiliser les algorithmes de vérification temporelle à différents niveaux TLM. Comme il existe plusieurs définitions du TLM, dans le cadre de notre recherche, nous avons défini une méthodologie de spécification et simulation pour des systèmes Matériel/Logiciel basée sur le paradigme de TLM. Dans cette méthodologie plusieurs concepts de modélisation peuvent être considérés séparément. Basée sur l'utilisation des technologies modernes de génie logiciel telles que XML, XSLT, XSD, la programmation orientée objet et plusieurs autres fournies par l’environnement .Net, la méthodologie proposée présente une approche qui rend possible une réutilisation des modèles intermédiaires afin de faire face à la contrainte de temps d’accès au marché. Elle fournit une approche générale dans la modélisation du système qui sépare les différents aspects de conception tels que des modèles de calculs utilisés pour décrire le système à des niveaux d’abstraction multiples. En conséquence, dans le modèle du système nous pouvons clairement identifier la fonctionnalité du système sans les détails reliés aux plateformes de développement et ceci mènera à améliorer la "portabilité" du modèle d'application.

Computational prediction of neural progenitor cell fates

Understanding how stem and progenitor cells choose between alternative cell fates is a major challenge in developmental biology. Efforts to tackle this problem have been hampered by the scarcity of markers that can be used to predict cell division outcomes. Here we present a computational method, based on algorithmic information theory, to analyze dynamic features of living cells over time. Using this method, we asked whether rat retinal progenitor cells (RPCs) display characteristic phenotypes before undergoing mitosis that could foretell their fate. We predicted whether RPCs will undergo a self-renewing or terminal division with 99% accuracy, or whether they will produce two photoreceptors or another combination of offspring with 87% accuracy. Our implementation can segment, track and generate predictions for 40 cells simultaneously on a standard computer at 5 min per frame. This method could be used to isolate cell populations with specific developmental potential, enabling previously impossible investigations.

Quantum nonlocality, cryptography and complexity

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Network pricing problems : complexity, polyhedral study and solution approaches

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Modélisation des bi-grappes et sélection des variables pour des données de grande dimension : application aux données d’expression génétique

Les simulations ont été implémentées avec le programme Java.

A computational fluid dynamic study on the filtering mechanics in suspension feeding marine invertebrates

Les suspensivores ont la tâche importante de séparer les particules de l'eau. Bien qu'une grande gamme de morphologies existe pour les structures d'alimentation, elles sont pratiquement toutes constituées de rangées de cylindres qui interagissent avec leur environnement fluide. Le mécanisme de capture des particules utilisé dépend des contraintes morphologiques, des besoins énergétiques et des conditions d'écoulement. Comme nos objectifs étaient de comprendre ces relations, nous avons eu recours à des études de comparaison pour interpréter les tendances en nature et pour comprendre les conditions qui provoquent de nouveaux fonctionnements. Nous avons utilisé la dynamique des fluides numérique (computational fluid dynamics, CFD) pour créer des expériences contrôlées et pour simplifier les analyses. Notre première étude démontre que les coûts énergétiques associés au pompage dans les espaces petits sont élevés. De plus, le CFD suggère que les fentes branchiales des ptérobranches sont des structures rudimentaires, d'un ancêtre plus grande. Ce dernier point confirme l'hypothèse qu'un ver se nourrit par filtration tel que l'ancêtre des deuterostomes. Notre deuxième étude détermine la gamme du nombre de Reynolds number critique où la performance d'un filtre de balane change. Quand le Re est très bas, les différences morphologiques n'ont pas un grand effet sur le fonctionnement. Cependant, une pagaie devient une passoire lorsque le Re se trouve entre 1 et 3,5. Le CFD s’est dévoilé être un outil très utile qui a permis d’obtenir des détails sur les microfluides. Ces études montrent comment la morphologie et les dynamiques des fluides interagissent avec la mécanisme de capture ou de structures utilisées, ainsi que comment des petits changements de taille, de forme, ou de vitesse d'écoulement peuvent conduire à un nouveau fonctionnement.

Dynamic Facility Location with Modular Capacities : Models, Algorithms and Applications in Forestry

Les décisions de localisation sont souvent soumises à des aspects dynamiques comme des changements dans la demande des clients. Pour y répondre, la solution consiste à considérer une flexibilité accrue concernant l’emplacement et la capacité des installations. Même lorsque la demande est prévisible, trouver le planning optimal pour le déploiement et l'ajustement dynamique des capacités reste un défi. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur des problèmes de localisation avec périodes multiples, et permettant l'ajustement dynamique des capacités, en particulier ceux avec des structures de coûts complexes. Nous étudions ces problèmes sous différents points de vue de recherche opérationnelle, en présentant et en comparant plusieurs modèles de programmation linéaire en nombres entiers (PLNE), l'évaluation de leur utilisation dans la pratique et en développant des algorithmes de résolution efficaces. Cette thèse est divisée en quatre parties. Tout d’abord, nous présentons le contexte industriel à l’origine de nos travaux: une compagnie forestière qui a besoin de localiser des campements pour accueillir les travailleurs forestiers. Nous présentons un modèle PLNE permettant la construction de nouveaux campements, l’extension, le déplacement et la fermeture temporaire partielle des campements existants. Ce modèle utilise des contraintes de capacité particulières, ainsi qu’une structure de coût à économie d’échelle sur plusieurs niveaux. L'utilité du modèle est évaluée par deux études de cas. La deuxième partie introduit le problème dynamique de localisation avec des capacités modulaires généralisées. Le modèle généralise plusieurs problèmes dynamiques de localisation et fournit de meilleures bornes de la relaxation linéaire que leurs formulations spécialisées. Le modèle peut résoudre des problèmes de localisation où les coûts pour les changements de capacité sont définis pour toutes les paires de niveaux de capacité, comme c'est le cas dans le problème industriel mentionnée ci-dessus. Il est appliqué à trois cas particuliers: l'expansion et la réduction des capacités, la fermeture temporaire des installations, et la combinaison des deux. Nous démontrons des relations de dominance entre notre formulation et les modèles existants pour les cas particuliers. Des expériences de calcul sur un grand nombre d’instances générées aléatoirement jusqu’à 100 installations et 1000 clients, montrent que notre modèle peut obtenir des solutions optimales plus rapidement que les formulations spécialisées existantes. Compte tenu de la complexité des modèles précédents pour les grandes instances, la troisième partie de la thèse propose des heuristiques lagrangiennes. Basées sur les méthodes du sous-gradient et des faisceaux, elles trouvent des solutions de bonne qualité même pour les instances de grande taille comportant jusqu’à 250 installations et 1000 clients. Nous améliorons ensuite la qualité de la solution obtenue en résolvent un modèle PLNE restreint qui tire parti des informations recueillies lors de la résolution du dual lagrangien. Les résultats des calculs montrent que les heuristiques donnent rapidement des solutions de bonne qualité, même pour les instances où les solveurs génériques ne trouvent pas de solutions réalisables. Finalement, nous adaptons les heuristiques précédentes pour résoudre le problème industriel. Deux relaxations différentes sont proposées et comparées. Des extensions des concepts précédents sont présentées afin d'assurer une résolution fiable en un temps raisonnable.

Photorealistic Surface Rendering with Microfacet Theory

La synthèse d'images dites photoréalistes nécessite d'évaluer numériquement la manière dont la lumière et la matière interagissent physiquement, ce qui, malgré la puissance de calcul impressionnante dont nous bénéficions aujourd'hui et qui ne cesse d'augmenter, est encore bien loin de devenir une tâche triviale pour nos ordinateurs. Ceci est dû en majeure partie à la manière dont nous représentons les objets: afin de reproduire les interactions subtiles qui mènent à la perception du détail, il est nécessaire de modéliser des quantités phénoménales de géométries. Au moment du rendu, cette complexité conduit inexorablement à de lourdes requêtes d'entrées-sorties, qui, couplées à des évaluations d'opérateurs de filtrage complexes, rendent les temps de calcul nécessaires à produire des images sans défaut totalement déraisonnables. Afin de pallier ces limitations sous les contraintes actuelles, il est nécessaire de dériver une représentation multiéchelle de la matière. Dans cette thèse, nous construisons une telle représentation pour la matière dont l'interface correspond à une surface perturbée, une configuration qui se construit généralement via des cartes d'élévations en infographie. Nous dérivons notre représentation dans le contexte de la théorie des microfacettes (conçue à l'origine pour modéliser la réflectance de surfaces rugueuses), que nous présentons d'abord, puis augmentons en deux temps. Dans un premier temps, nous rendons la théorie applicable à travers plusieurs échelles d'observation en la généralisant aux statistiques de microfacettes décentrées. Dans l'autre, nous dérivons une procédure d'inversion capable de reconstruire les statistiques de microfacettes à partir de réponses de réflexion d'un matériau arbitraire dans les configurations de rétroréflexion. Nous montrons comment cette théorie augmentée peut être exploitée afin de dériver un opérateur général et efficace de rééchantillonnage approximatif de cartes d'élévations qui (a) préserve l'anisotropie du transport de la lumière pour n'importe quelle résolution, (b) peut être appliqué en amont du rendu et stocké dans des MIP maps afin de diminuer drastiquement le nombre de requêtes d'entrées-sorties, et (c) simplifie de manière considérable les opérations de filtrage par pixel, le tout conduisant à des temps de rendu plus courts. Afin de valider et démontrer l'efficacité de notre opérateur, nous synthétisons des images photoréalistes anticrenelées et les comparons à des images de référence. De plus, nous fournissons une implantation C++ complète tout au long de la dissertation afin de faciliter la reproduction des résultats obtenus. Nous concluons avec une discussion portant sur les limitations de notre approche, ainsi que sur les verrous restant à lever afin de dériver une représentation multiéchelle de la matière encore plus générale.

Complexity quantification of dense array EEG using sample entropy analysis

n this paper, a time series complexity analysis of dense array electroencephalogram signals is carried out using the recently introduced Sample Entropy (SampEn) measure. This statistic quantifies the regularity in signals recorded from systems that can vary from the purely deterministic to purely stochastic realm. The present analysis is conducted with an objective of gaining insight into complexity variations related to changing brain dynamics for EEG recorded from the three cases of passive, eyes closed condition, a mental arithmetic task and the same mental task carried out after a physical exertion task. It is observed that the statistic is a robust quantifier of complexity suited for short physiological signals such as the EEG and it points to the specific brain regions that exhibit lowered complexity during the mental task state as compared to a passive, relaxed state. In the case of mental tasks carried out before and after the performance of a physical exercise, the statistic can detect the variations brought in by the intermediate fatigue inducing exercise period. This enhances its utility in detecting subtle changes in the brain state that can find wider scope for applications in EEG based brain studies.

Computational models for the prediction of severe thunderstorms over east indian region

Thunderstorm is one of the most spectacular weather phenomena in the atmosphere. Many parts over the Indian region experience thunderstorms at higher frequency during pre-monsoon months (March- May), when the atmosphere is highly unstable because of high temperatures prevailing at lower levels. Most dominant feature of the weather during the pre-monsoon season over the eastern Indo-Gangetic plain and northeast India is the outburst of severe local convective storms, commonly known as ‘Nor’wester’ or ‘Kalbaishakhi’. The severe thunderstorms associated with thunder, squall line, lightning and hail cause extensive losses in agriculture, damage to structure and also loss of life. The casualty due to lightning associated with thunderstorms in this region is the highest in the world. The highest numbers of aviation hazards are reported during occurrence of these thunderstorms. In India, 72% of tornadoes are associated with this thunderstorm.