Current Challenges in Modeling Cellular Metabolism

Mathematical and computational models play an essential role in understanding the cellular metabolism. They are used as platforms to integrate current knowledge on a biological system and to systematically test and predict the effect of manipulations to such systems. The recent advances in genome sequencing techniques have facilitated the reconstruction of genome-scale metabolic networks for a wide variety of organisms from microbes to human cells. These models have been successfully used in multiple biotechnological applications. Despite these advancements, modeling cellular metabolism still presents many challenges. The aim of this Research Topic is not only to expose and consolidate the state-of-the-art in metabolic modeling approaches, but also to push this frontier beyond the current edge through the introduction of innovative solutions. The articles presented in this e-book address some of the main challenges in the field, including the integration of different modeling formalisms, the integration of heterogeneous data sources into metabolic models, explicit representation of other biological processes during phenotype simulation, and standardization efforts in the representation of metabolic models and simulation results.

Automated network resilience optimization using computational intelligence methods

This paper presents an automated optimization framework able to provide network administrators with resilient routing configurations for link-state protocols, such as OSPF or IS-IS. In order to deal with the formulated NP-hard optimization problems, the devised framework is underpinned by the use of computational intelligence optimization engines, such as Multi-objective Evolutionary Algorithms (MOEAs). With the objective of demonstrating the framework capabilities, two illustrative Traffic Engineering methods are described, allowing to attain routing configurations robust to changes in the traffic demands and maintaining the network stable even in the presence of link failure events. The presented illustrative results clearly corroborate the usefulness of the proposed automated framework along with the devised optimization methods.

New integrative computational approaches unveil the Saccharomyces cerevisiae pheno-metabolomic fermentative profile and allow strain selection for winemaking

During must fermentation by Saccharomyces cerevisiae strains thousands of volatile aroma compounds are formed. The objective of the present work was to adapt computational approaches to analyze pheno-metabolomic diversity of a S. cerevisiae strain collection with different origins. Phenotypic and genetic characterization together with individual must fermentations were performed, and metabolites relevant to aromatic profiles were determined. Experimental results were projected onto a common coordinates system, revealing 17 statistical-relevant multi-dimensional modules, combining sets of most-correlated features of noteworthy biological importance. The present method allowed, as a breakthrough, to combine genetic, phenotypic and metabolomic data, which has not been possible so far due to difficulties in comparing different types of data. Therefore, the proposed computational approach revealed as successful to shed light into the holistic characterization of S. cerevisiae pheno-metabolome in must fermentative conditions. This will allow the identification of combined relevant features with application in selection of good winemaking strains.

Estrategias estadístico-computacionales avanzadas para análisis de expresión de proteínas/genes en cáncer. Advanced statistical and computational strategies for protein/gene expression analysis in cancer.

El objetivo de este proyecto, enmarcado en el área de metodología de análisis en bioingeniería-biotecnología aplicadas al estudio del cancer, es el análisis y caracterización a través modelos estadísticos con efectos mixtos y técnicas de aprendizaje automático, de perfiles de expresión de proteínas y genes de las vías metabolicas asociadas a progresión tumoral. Dicho estudio se llevará a cabo mediante la utilización de tecnologías de alto rendimiento. Las mismas permiten evaluar miles de genes/proteínas en forma simultánea, generando así una gran cantidad de datos de expresión. Se hipotetiza que para un análisis e interpretación de la información subyacente, caracterizada por su abundancia y complejidad, podría realizarse mediante técnicas estadístico-computacionales eficientes en el contexto de modelos mixtos y técnias de aprendizaje automático. Para que el análisis sea efectivo es necesario contemplar los efectos ocasionados por los diferentes factores experimentales ajenos al fenómeno biológico bajo estudio. Estos efectos pueden enmascarar la información subycente y así perder informacion relavante en el contexto de progresión tumoral. La identificación de estos efectos permitirá obtener, eficientemente, los perfiles de expresión molecular que podrían permitir el desarrollo de métodos de diagnóstico basados en ellos. Con este trabajo se espera poner a disposición de investigadores de nuestro medio, herramientas y procedimientos de análisis que maximicen la eficiencia en el uso de los recursos asignados a la masiva captura de datos genómicos/proteómicos que permitan extraer información biológica relevante pertinente al análisis, clasificación o predicción de cáncer, el diseño de tratamientos y terapias específicos y el mejoramiento de los métodos de detección como así tambien aportar al entendimieto de la progresión tumoral mediante análisis computacional intensivo.

Dinámica y cinética de los procesos físicos y químicos del radical OH con compuestos orgánicos volátiles (COVs) de relevancia atmosférica. Dynamics and kinetics of the physical and chemical processes of OH radicals with atmospheric relevant volatile organic compounds (VOCs)

El objetivo del presente proyecto es estudiar los procesos físicos y químicos del radical OH con compuestos orgánicos volátiles (COVs), con los cuales sea factible la formación de agregados de van der Waals (vdW) responsables de la curvatura en los gráficos de Arrhenius, empleando técnicas modernas, complementarias entre si y novedosas en el país. El problema será abordado desde tres perspectivas complementarias: 1) estudios cinéticos, 2) estudios mecanísticos y de distribución de productos y 3) estudios de la dinámica de los procesos físicos y químicos. La finalidad es alcanzar una mejor comprensión de los mecanismos que intervienen en el comportamiento químico de especies presentes en la atmósfera y obtener datos cinéticos de alta calidad que puedan alimentar modelos computacionales capaces de describir la composición de la atmósfera, presente y futura. Los objetivos son estudiar: 1) mediante fotólisis láser pulsada con detección por fluorescencia inducida por láser (PLP-LIF), en reactores de flujo, la cinética de reacción del radical OH(v”=0) con COVs que presentan gráficos de Arrhenius curvos con energías de activación negativas, tales como alcoholes insaturados, alquenos halogenados, éteres halogenados, ésteres alifáticos; 2) en una cámara de simulación de condiciones atmosféricas de gran volumen (4500 L), la identidad y el rendimiento de productos de las reacciones mencionadas, a fines de evaluar su impacto atmosférico y dilucidar los mecanismos de reacción; 3) mediante haces moleculares y espectroscopía láser, la estructura y reactividad de complejos de vdW entre alcoholes insaturados o aromáticos (cresoles) y el radical OH, como modelo de los aductos propuestos como responsables de la desviación al comportamiento de Arrhenius de las reacciones mencionadas; 4) mediante PLP-LIF y expansiones supersónicas, las constantes específicas estado a estado (ksts) de relajación/reacción del radical OH(v”=1-4) vibracionalmente excitado con los COVs mencionados. Los resultados experimentales obtenidos serán contrastados con cálculos ab-initio de estructura electrónica, los cuales apoyarán las interpretaciones, permitirán proponer estructuras de estados de transición y aductos colisionales, como así también calcular las frecuencias de vibración de los complejos de vdW para su posterior asignación en los espectros LIF y REMPI. Asimismo, los mecanismos de reacción propuestos y los parámetros cinéticos medidos experimentalmente serán comparados con aquellos obtenidos por cálculos teóricos. The aim of this project is to study the physical and chemical processes of OH radicals with volatile organic compounds (VOCs) with which the formation of van der Waals (vdW) clusters, responsible for the observed curvature in the Arrhenius plots, might be feasible. The problem will be addressed as follow : 1) kinetic studies; 2) products distribution and mechanistic studies and 3) dynamical studies of the physical and chemical processes. The purpose is to obtain a better understanding of the mechanisms that govern the chemical behavior of species present in the atmosphere and to obtain high quality kinetic data to be used as input to computational models. We will study: 1) the reaction kinetics of OH (v”=0) radicals with VOCs such as unsaturated alcohols, halogenated alkenes, halogenated ethers, aliphatic esters, which show curved Arrhenius plots and negative activation energies, by PLP-LIF, in flow systems; 2) in a large volume (4500 L) atmospheric simulation chamber, reaction products yields in order to evaluate their atmospheric impact and reaction mechanisms; 3) using molecular beams and laser spectroscopy, the structure and reactivity of the vdW complexes formed between the unsaturated or aromatic alcohols and the OH radicals as a model of the adducts proposed as responsible for the non-Arrhenius behavior; 4) the specific state-to-state relaxation/reaction rate constants (ksts) of the vibrationally excited OH (v”=1-4) radical with the VOCs by PLP-LIF and supersonic expansions. Ab-initio calculations will be carried out to support the interpretation of the experimental results, to obtain the transition state and collisional adducts structures, as well as to calculate the vibrational frequencies of the vdW complexes to assign to the LIF and REMPI spectra. Also, the proposed reaction mechanisms and the experimentally measured kinetic parameters will be compared with those obtained from theoretical calculations.

Mesoskopische Modellierung und Simulation logistischer Flusssysteme

Magdeburg, Univ., Fak. für Maschinenbau, Diss., 2011

Modellierung und Simulation polydisperser Wassernebel in der Brandbekämpfung unter Berücksichtigung stochastischer Parameter

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2011

Numerische Simulation der thermisch bedingten Werkstück-Abweichungen beim Drehen mit unterschiedlichen Kühlschmiermethoden

Zerspanung, Drehen, Kühlschmierung, Werkstücktemperatur, thermisch bedingte Abweichungen, FE-Modellierung, Inversaufgaben

Simulation der Drahtabkühlung nach dem Warmwalzen im Bereich der Luftkühlstrecke

Stelmor, Simulation, Drahtabkühlung, Luftkühlstrecke, Modell, Temperaturfeld, Wärmeübergang, Modellierung, Wärmeübergangskoeffizient

Solare Klimakälteerzeugung : Technologie, Erprobung und Simulation

Solar cooling, absorption chiller, latent heat storage, TRNSYS, simulation, ammonia, water

Numerische Simulation von Strömung und Massentransport in (elektro-)chromatographischen Systemen

Electrochromatography, numerical simulation, electrokinetics, electroosmosis, parallel computing

Process simulation of lime calcination in mixed feed shaft kilns

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2012

Direct numerical simulation of turbulent flames on parallel computers

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2012

Variations and application conditions of the data type "Image" : the foundation of computational visualistics

Visualistics, computer science, picture syntax, picture semantics, picture pragmatics, interactive pictures

Numerische Simulation dendritischen Kristallwachstums

Dendritic Growth, Stefan-Problem, Finite-Element-Method, Level-Set-Method