BIOCHEMICAL CHARACTERIZATION OF BINDING PARTNERS OF TWO HSP70 CO-CHAPERONES IN SACCHAROMYCES CEREVISIAE

Cells are exposed to a variety of environmental and physiological changes including temperature, pH and nutrient availability. These changes cause stress to cells, which results in protein misfolding and altered cellular protein homeostasis. How proteins fold into their three-dimensional functional structure is a fundamental biological process with important relevance to human health. Misfolded and aggregated proteins are linked to multiple neurodegenerative diseases, cardiovascular disease and cystic fibrosis. To combat proteotoxic stress, cells deploy an array of molecular chaperones that assist in the repair or removal of misfolded proteins. Hsp70, an evolutionarily conserved molecular chaperone, promotes protein folding and helps maintain them in a functional state. Requisite co-chaperones, including nucleotide exchange factors (NEFs) strictly regulate and serve to recruit Hsp70 to distinct cellular processes or locations. In yeast and human cells, three structurally non-related cytosolic NEFs are present: Sse1 (Hsp110), Fes1 (HspBP1) and Snl1 (Bag-1). Snl1 is unique among the cytosolic NEFs as it is localized at the ER membrane with its Hsp70 binding (BAG) domain exposed to the cytosol. I discovered that Snl1 distinctly interacts with assembled ribosomes and several lines of evidence indicate that this interaction is both independent of and concurrent with binding to Hsp70 and is not dependent on membrane localization. The ribosome-binding site is identified as a short lysine-rich motif within the amino terminus of the Snl1 BAG domain distinct from the Hsp70 interaction region. In addition, I demonstrate ribosome association with the Snl1 homolog in the pathogenic fungus, Candida albicans and localize this putative NEF to a perinuclear/ER membrane, suggesting functional conservation in fungal BAG domain-containing proteins. As a first step in determining specific domain architecture in fungal BAG proteins, I present the preliminary steps of protein purification and analysis of the minimal Hsp70 binding region in in both S.cerevisiae and C. albicans Snl1. Contrary to previous in vitro evidence which showed the Fes1 NEF to interact with both cytosolic Hsp70s, Ssa and Ssb, Fes1 is shown to interact specifically with Ssa when expressed under normal cellular conditions in S. cerevisiae. This is the first reported evidence of Hsp70 binding selectivity for a cytosolic NEF, and suggests a possible mechanism to achieve specificity in Hsp70-dependent functions. Taken together, the work presented in this dissertation highlights the striking divergence among Hsp70 co-chaperones in selecting binding partners, which may correlate with their specific roles in the cell.

BAYESIAN STATISTICAL METHODS IN GENE-ENVIRONMENT AND GENE-GENE INTERACTION STUDIES

Complex diseases such as cancer result from multiple genetic changes and environmental exposures. Due to the rapid development of genotyping and sequencing technologies, we are now able to more accurately assess causal effects of many genetic and environmental factors. Genome-wide association studies have been able to localize many causal genetic variants predisposing to certain diseases. However, these studies only explain a small portion of variations in the heritability of diseases. More advanced statistical models are urgently needed to identify and characterize some additional genetic and environmental factors and their interactions, which will enable us to better understand the causes of complex diseases. In the past decade, thanks to the increasing computational capabilities and novel statistical developments, Bayesian methods have been widely applied in the genetics/genomics researches and demonstrating superiority over some regular approaches in certain research areas. Gene-environment and gene-gene interaction studies are among the areas where Bayesian methods may fully exert its functionalities and advantages. This dissertation focuses on developing new Bayesian statistical methods for data analysis with complex gene-environment and gene-gene interactions, as well as extending some existing methods for gene-environment interactions to other related areas. It includes three sections: (1) Deriving the Bayesian variable selection framework for the hierarchical gene-environment and gene-gene interactions; (2) Developing the Bayesian Natural and Orthogonal Interaction (NOIA) models for gene-environment interactions; and (3) extending the applications of two Bayesian statistical methods which were developed for gene-environment interaction studies, to other related types of studies such as adaptive borrowing historical data. We propose a Bayesian hierarchical mixture model framework that allows us to investigate the genetic and environmental effects, gene by gene interactions (epistasis) and gene by environment interactions in the same model. It is well known that, in many practical situations, there exists a natural hierarchical structure between the main effects and interactions in the linear model. Here we propose a model that incorporates this hierarchical structure into the Bayesian mixture model, such that the irrelevant interaction effects can be removed more efficiently, resulting in more robust, parsimonious and powerful models. We evaluate both of the 'strong hierarchical' and 'weak hierarchical' models, which specify that both or one of the main effects between interacting factors must be present for the interactions to be included in the model. The extensive simulation results show that the proposed strong and weak hierarchical mixture models control the proportion of false positive discoveries and yield a powerful approach to identify the predisposing main effects and interactions in the studies with complex gene-environment and gene-gene interactions. We also compare these two models with the 'independent' model that does not impose this hierarchical constraint and observe their superior performances in most of the considered situations. The proposed models are implemented in the real data analysis of gene and environment interactions in the cases of lung cancer and cutaneous melanoma case-control studies. The Bayesian statistical models enjoy the properties of being allowed to incorporate useful prior information in the modeling process. Moreover, the Bayesian mixture model outperforms the multivariate logistic model in terms of the performances on the parameter estimation and variable selection in most cases. Our proposed models hold the hierarchical constraints, that further improve the Bayesian mixture model by reducing the proportion of false positive findings among the identified interactions and successfully identifying the reported associations. This is practically appealing for the study of investigating the causal factors from a moderate number of candidate genetic and environmental factors along with a relatively large number of interactions. The natural and orthogonal interaction (NOIA) models of genetic effects have previously been developed to provide an analysis framework, by which the estimates of effects for a quantitative trait are statistically orthogonal regardless of the existence of Hardy-Weinberg Equilibrium (HWE) within loci. Ma et al. (2012) recently developed a NOIA model for the gene-environment interaction studies and have shown the advantages of using the model for detecting the true main effects and interactions, compared with the usual functional model. In this project, we propose a novel Bayesian statistical model that combines the Bayesian hierarchical mixture model with the NOIA statistical model and the usual functional model. The proposed Bayesian NOIA model demonstrates more power at detecting the non-null effects with higher marginal posterior probabilities. Also, we review two Bayesian statistical models (Bayesian empirical shrinkage-type estimator and Bayesian model averaging), which were developed for the gene-environment interaction studies. Inspired by these Bayesian models, we develop two novel statistical methods that are able to handle the related problems such as borrowing data from historical studies. The proposed methods are analogous to the methods for the gene-environment interactions on behalf of the success on balancing the statistical efficiency and bias in a unified model. By extensive simulation studies, we compare the operating characteristics of the proposed models with the existing models including the hierarchical meta-analysis model. The results show that the proposed approaches adaptively borrow the historical data in a data-driven way. These novel models may have a broad range of statistical applications in both of genetic/genomic and clinical studies.

Age -period -cohort analysis: An extension of Cox's lifetable regression with time -dependent covariates

It is well known that an identification problem exists in the analysis of age-period-cohort data because of the relationship among the three factors (date of birth + age at death = date of death). There are numerous suggestions about how to analyze the data. No one solution has been satisfactory. The purpose of this study is to provide another analytic method by extending the Cox's lifetable regression model with time-dependent covariates. The new approach contains the following features: (1) It is based on the conditional maximum likelihood procedure using a proportional hazard function described by Cox (1972), treating the age factor as the underlying hazard to estimate the parameters for the cohort and period factors. (2) The model is flexible so that both the cohort and period factors can be treated as dummy or continuous variables, and the parameter estimations can be obtained for numerous combinations of variables as in a regression analysis. (3) The model is applicable even when the time period is unequally spaced.^ Two specific models are considered to illustrate the new approach and applied to the U.S. prostate cancer data. We find that there are significant differences between all cohorts and there is a significant period effect for both whites and nonwhites. The underlying hazard increases exponentially with age indicating that old people have much higher risk than young people. A log transformation of relative risk shows that the prostate cancer risk declined in recent cohorts for both models. However, prostate cancer risk declined 5 cohorts (25 years) earlier for whites than for nonwhites under the period factor model (0 0 0 1 1 1 1). These latter results are similar to the previous study by Holford (1983).^ The new approach offers a general method to analyze the age-period-cohort data without using any arbitrary constraint in the model. ^

Genetic integration of a nuclear -encoded mitochondrial gene with cardiac function

Cardiovascular disease (CVD) is the leading cause of death in the United States. One manifestation of CVD known to increase mortality is an enlarged, or hypertrophic heart. Hypertrophic cardiomyocytes adapt to increased contractile demand at the genetic level with a re-emergence of the fetal gene program and a downregulation of fatty acid oxidation genes with concomitant increased reliance on glucose-based metabolism. To understand the transcriptional regulatory pathways that implement hypertrophic directives we analyzed the upstream promoter region of the muscle specific isoform of the nuclear-encoded mitochondrial gene, carnitine palmitoyltransferase-1β (CPT-1β) in cultured rat neonatal cardiac myocytes. This enzyme catalyzes the rate-limiting step of fatty acid entry into β-oxidation and is downregulated in cardiac hypertrophy and failure, making it an attractive model for the study of hypertrophic gene regulation and metabolic adaptations. We demonstrate that the muscle-enriched transcription factors GATA-4 and SRF synergistically activate CPT-1β; moreover, DNA binding to cognate sites and intact protein structure are required. This mechanism coordinates upregulation of energy generating processes with activation of the energy consuming contractile promoter for cardiac α-actin. We hypothesized that fatty acid or glucose responsive transcription factors may also regulate CPT-1β. Oleate weakly stimulates CPT-1β activity; in contrast, the glucose responsive Upstream Stimulatory Factors (USF) dramatically depresses the CPT-1β reporter. USF regulates CPT-1β through a novel physical interaction with the cofactor PGC-1 and abrogation of MEF2A/PGC-1 synergistic stimulation. In this way, USF can inversely regulate metabolic gene programs and may play a role in the shift of metabolic substrate preference seen in hypertrophy. Failing hearts have elevated expression of the nuclear hormone receptor COUP-TF. We report that COUP-TF significantly suppresses reporter transcription independent of DNA binding and specific interactions with GATA-4, Nkx2.5 or USF. In summary, CPT-1β transcriptional regulation integrates mitochondrial gene expression with two essential cardiac functions: contraction and metabolic substrate oxidation. ^

Reachability-based acyclicity analysis by Abstract Interpretation

In programming languages with dynamic use of memory, such as Java, knowing that a reference variable x points to an acyclic data structure is valuable for the analysis of termination and resource usage (e.g., execution time or memory consumption). For instance, this information guarantees that the depth of the data structure to which x points is greater than the depth of the data structure pointed to by x.f for any field f of x. This, in turn, allows bounding the number of iterations of a loop which traverses the structure by its depth, which is essential in order to prove the termination or infer the resource usage of the loop. The present paper provides an Abstract-Interpretation-based formalization of a static analysis for inferring acyclicity, which works on the reduced product of two abstract domains: reachability, which models the property that the location pointed to by a variable w can be reached by dereferencing another variable v (in this case, v is said to reach w); and cyclicity, modeling the property that v can point to a cyclic data structure. The analysis is proven to be sound and optimal with respect to the chosen abstraction.

Desigualdad social en la "Ciudad Negocio": El modelo inmobiliario en la construcción social de Madrid durante el desarrollismo

El objetivo de esta Tesis doctoral es arrojar más luz sobre los mecanismos a partir de los cuales se dibuja el mapa de la desigualdad social en los sistemas urbanos contemporáneos. Para ello, en primer lugar se ha realizado una revisión crítica de los diferentes planteamientos desde los que se abordan los procesos de formación del espacio social urbano. A partir de ahí se ha aplicado el campo teórico analizado a un caso concreto muy representativo, el espacio social del Madrid de finales del siglo XX, comprobándose cómo los planteamientos tradicionales muestran carencias en cuanto a la explicación de los procesos estudiados. Por otro lado, una vez constatado que el espacio social madrileño producto del régimen de acumulación fordista destaca por un dibujo especialmente clasificado y jerarquizado, se ha analizado cuando y por qué comenzó este fenómeno de tan radical "clasificación social". Como resultado se obtiene que sólo es posible generar un discurso de explicación del espacio social estudiado considerando, por un lado, la percepción de la ciudad preexistente y, por otro, la concepción y construcción de la “planeada” por un modelo inmobiliario obligado a reconstruir en su mapa de precios una estructura social recién transformada. Una vez comprobado que la transformación que sufrieron tanto la estructura social como el modelo inmobiliario supuso un cambio de fase en la evolución de la ciudad y su espacio social se ha formulado un nuevo modelo urbano que se ha denominado “Ciudad Negocio” . En esta Ciudad Negocio destaca un modelo inmobiliario de venta de viviendas financiadas que, debido a sus propios mecanismos de funcionamiento, requiere de un espacio social muy ordenado, jerarquizado y estable que reproduzca la estructura social existente de forma visible. ABSTRACT The aim of this research project is to shed more light on the variables that draw the social inequality maps in the contemporary urban systems. For that purpose, a thoughtful review of the different theories around urban and social planning has taken place. The outcome of the analysis has been projected over a very representative sample, the social space in Madrid at the end of the 20th Century, proving the fact that traditional arguments do not explain the way the contemporary social patterns has been developed. On the other hand, once verified the fact that the social space in Madrid conceptually inherited from the Regulation School outlines a social hierarchy pattern, an analysis of the reasons that lead to such “social classification” has been performed. The research conclusions around the reviewed urban space can only be sustained by the perception of a pre-existing city and the boundaries of a real state pattern forced to match the prices to the newly transformed social structure. The transformation of the social structure and the real state model and its impact over the urban space has lead to a new urban model called “Business City”. This new urban product is built over a residential real estate market, which in nature requires of a very organised, socially classified and stabled pattern so that it mirrors the existing social structure.

Análisis de los factores de influencia en la adopción de herramientas colaborativas basadas en software social. Aplicación a entornos empresariales

En las últimas dos décadas, se ha puesto de relieve la importancia de los procesos de adquisición y difusión del conocimiento dentro de las empresas, y por consiguiente el estudio de estos procesos y la implementación de tecnologías que los faciliten ha sido un tema que ha despertado un creciente interés en la comunidad científica. Con el fin de facilitar y optimizar la adquisición y la difusión del conocimiento, las organizaciones jerárquicas han evolucionado hacia una configuración más plana, con estructuras en red que resulten más ágiles, disminuyendo la dependencia de una autoridad centralizada, y constituyendo organizaciones orientadas a trabajar en equipo. Al mismo tiempo, se ha producido un rápido desarrollo de las herramientas de colaboración Web 2.0, tales como blogs y wikis. Estas herramientas de colaboración se caracterizan por una importante componente social, y pueden alcanzar todo su potencial cuando se despliegan en las estructuras organizacionales planas. La Web 2.0 aparece como un concepto enfrentado al conjunto de tecnologías que existían a finales de los 90s basadas en sitios web, y se basa en la participación de los propios usuarios. Empresas del Fortune 500 –HP, IBM, Xerox, Cisco– las adoptan de inmediato, aunque no hay unanimidad sobre su utilidad real ni sobre cómo medirla. Esto se debe en parte a que no se entienden bien los factores que llevan a los empleados a adoptarlas, lo que ha llevado a fracasos en la implantación debido a la existencia de algunas barreras. Dada esta situación, y ante las ventajas teóricas que tienen estas herramientas de colaboración Web 2.0 para las empresas, los directivos de éstas y la comunidad científica muestran un interés creciente en conocer la respuesta a la pregunta: ¿cuáles son los factores que contribuyen a que los empleados de las empresas adopten estas herramientas Web 2.0 para colaborar? La respuesta a esta pregunta es compleja ya que se trata de herramientas relativamente nuevas en el contexto empresarial mediante las cuales se puede llevar a cabo la gestión del conocimiento en lugar del manejo de la información. El planteamiento que se ha llevado a cabo en este trabajo para dar respuesta a esta pregunta es la aplicación de los modelos de adopción tecnológica, que se basan en las percepciones de los individuos sobre diferentes aspectos relacionados con el uso de la tecnología. Bajo este enfoque, este trabajo tiene como objetivo principal el estudio de los factores que influyen en la adopción de blogs y wikis en empresas, mediante un modelo predictivo, teórico y unificado, de adopción tecnológica, con un planteamiento holístico a partir de la literatura de los modelos de adopción tecnológica y de las particularidades que presentan las herramientas bajo estudio y en el contexto especifico. Este modelo teórico permitirá determinar aquellos factores que predicen la intención de uso de las herramientas y el uso real de las mismas. El trabajo de investigación científica se estructura en cinco partes: introducción al tema de investigación, desarrollo del marco teórico, diseño del trabajo de investigación, análisis empírico, y elaboración de conclusiones. Desde el punto de vista de la estructura de la memoria de la tesis, las cinco partes mencionadas se desarrollan de forma secuencial a lo largo de siete capítulos, correspondiendo la primera parte al capítulo 1, la segunda a los capítulos 2 y 3, la tercera parte a los capítulos 4 y 5, la cuarta parte al capítulo 6, y la quinta y última parte al capítulo 7. El contenido del capítulo 1 se centra en el planteamiento del problema de investigación así como en los objetivos, principal y secundarios, que se pretenden cumplir a lo largo del trabajo. Así mismo, se expondrá el concepto de colaboración y su encaje con las herramientas colaborativas Web 2.0 que se plantean en la investigación y una introducción a los modelos de adopción tecnológica. A continuación se expone la justificación de la investigación, los objetivos de la misma y el plan de trabajo para su elaboración. Una vez introducido el tema de investigación, en el capítulo 2 se lleva a cabo una revisión de la evolución de los principales modelos de adopción tecnológica existentes (IDT, TRA, SCT, TPB, DTPB, C-TAM-TPB, UTAUT, UTAUT2), dando cuenta de sus fundamentos y factores empleados. Sobre la base de los modelos de adopción tecnológica expuestos en el capítulo 2, en el capítulo 3 se estudian los factores que se han expuesto en el capítulo 2 pero adaptados al contexto de las herramientas colaborativas Web 2.0. Con el fin de facilitar la comprensión del modelo final, los factores se agrupan en cuatro tipos: tecnológicos, de control, socio-normativos y otros específicos de las herramientas colaborativas. En el capítulo 4 se lleva a cabo la relación de los factores que son más apropiados para estudiar la adopción de las herramientas colaborativas y se define un modelo que especifica las relaciones entre los diferentes factores. Estas relaciones finalmente se convertirán en hipótesis de trabajo, y que habrá que contrastar mediante el estudio empírico. A lo largo del capítulo 5 se especifican las características del trabajo empírico que se lleva a cabo para contrastar las hipótesis que se habían enunciado en el capítulo 4. La naturaleza de la investigación es de carácter social, de tipo exploratorio, y se basa en un estudio empírico cuantitativo cuyo análisis se llevará a cabo mediante técnicas de análisis multivariante. En este capítulo se describe la construcción de las escalas del instrumento de medida, la metodología de recogida de datos, y posteriormente se presenta un análisis detallado de la población muestral, así como la comprobación de la existencia o no del sesgo atribuible al método de medida, lo que se denomina sesgo de método común (en inglés, Common Method Bias). El contenido del capítulo 6 corresponde al análisis de resultados, aunque previamente se expone la técnica estadística empleada, PLS-SEM, como herramienta de análisis multivariante con capacidad de análisis predictivo, así como la metodología empleada para validar el modelo de medida y el modelo estructural, los requisitos que debe cumplir la muestra, y los umbrales de los parámetros considerados. En la segunda parte del capítulo 6 se lleva a cabo el análisis empírico de los datos correspondientes a las dos muestras, una para blogs y otra para wikis, con el fin de validar las hipótesis de investigación planteadas en el capítulo 4. Finalmente, en el capítulo 7 se revisa el grado de cumplimiento de los objetivos planteados en el capítulo 1 y se presentan las contribuciones teóricas, metodológicas y prácticas derivadas del trabajo realizado. A continuación se exponen las conclusiones generales y detalladas por cada grupo de factores, así como las recomendaciones prácticas que se pueden extraer para orientar la implantación de estas herramientas en situaciones reales. Como parte final del capítulo se incluyen las limitaciones del estudio y se sugiere una serie de posibles líneas de trabajo futuras de interés, junto con los resultados de investigación parciales que se han obtenido durante el tiempo que ha durado la investigación. ABSTRACT In the last two decades, the relevance of knowledge acquisition and dissemination processes has been highlighted and consequently, the study of these processes and the implementation of the technologies that make them possible has generated growing interest in the scientific community. In order to ease and optimize knowledge acquisition and dissemination, hierarchical organizations have evolved to a more horizontal configuration with more agile net structures, decreasing the dependence of a centralized authority, and building team-working oriented organizations. At the same time, Web 2.0 collaboration tools such as blogs and wikis have quickly developed. These collaboration tools are characterized by a strong social component and can reach their full potential when they are deployed in horizontal organization structures. Web 2.0, based on user participation, arises as a concept to challenge the existing technologies of the 90’s which were based on websites. Fortune 500 companies – HP, IBM, Xerox, Cisco- adopted the concept immediately even though there was no unanimity about its real usefulness or how it could be measured. This is partly due to the fact that the factors that make the drivers for employees to adopt these tools are not properly understood, consequently leading to implementation failure due to the existence of certain barriers. Given this situation, and faced with theoretical advantages that these Web 2.0 collaboration tools seem to have for companies, managers and the scientific community are showing an increasing interest in answering the following question: Which factors contribute to the decision of the employees of a company to adopt the Web 2.0 tools for collaborative purposes? The answer is complex since these tools are relatively new in business environments. These tools allow us to move from an information Management approach to Knowledge Management. In order to answer this question, the chosen approach involves the application of technology adoption models, all of them based on the individual’s perception of the different aspects related to technology usage. From this perspective, this thesis’ main objective is to study the factors influencing the adoption of blogs and wikis in a company. This is done by using a unified and theoretical predictive model of technological adoption with a holistic approach that is based on literature of technological adoption models and the particularities that these tools presented under study and in a specific context. This theoretical model will allow us to determine the factors that predict the intended use of these tools and their real usage. The scientific research is structured in five parts: Introduction to the research subject, development of the theoretical framework, research work design, empirical analysis and drawing the final conclusions. This thesis develops the five aforementioned parts sequentially thorough seven chapters; part one (chapter one), part two (chapters two and three), part three (chapters four and five), parte four (chapters six) and finally part five (chapter seven). The first chapter is focused on the research problem statement and the objectives of the thesis, intended to be reached during the project. Likewise, the concept of collaboration and its link with the Web 2.0 collaborative tools is discussed as well as an introduction to the technology adoption models. Finally we explain the planning to carry out the research and get the proposed results. After introducing the research topic, the second chapter carries out a review of the evolution of the main existing technology adoption models (IDT, TRA, SCT, TPB, DTPB, C-TAM-TPB, UTAUT, UTAUT2), highlighting its foundations and factors used. Based on technology adoption models set out in chapter 2, the third chapter deals with the factors which have been discussed previously in chapter 2, but adapted to the context of Web 2.0 collaborative tools under study, blogs and wikis. In order to better understand the final model, the factors are grouped into four types: technological factors, control factors, social-normative factors and other specific factors related to the collaborative tools. The first part of chapter 4 covers the analysis of the factors which are more relevant to study the adoption of collaborative tools, and the second part proceeds with the theoretical model which specifies the relationship between the different factors taken into consideration. These relationships will become specific hypotheses that will be tested by the empirical study. Throughout chapter 5 we cover the characteristics of the empirical study used to test the research hypotheses which were set out in chapter 4. The nature of research is social, exploratory, and it is based on a quantitative empirical study whose analysis is carried out using multivariate analysis techniques. The second part of this chapter includes the description of the scales of the measuring instrument; the methodology for data gathering, the detailed analysis of the sample, and finally the existence of bias attributable to the measurement method, the "Bias Common Method" is checked. The first part of chapter 6 corresponds to the analysis of results. The statistical technique employed (PLS-SEM) is previously explained as a tool of multivariate analysis, capable of carrying out predictive analysis, and as the appropriate methodology used to validate the model in a two-stages analysis, the measurement model and the structural model. Futhermore, it is necessary to check the requirements to be met by the sample and the thresholds of the parameters taken into account. In the second part of chapter 6 an empirical analysis of the data is performed for the two samples, one for blogs and the other for wikis, in order to validate the research hypothesis proposed in chapter 4. Finally, in chapter 7 the fulfillment level of the objectives raised in chapter 1 is reviewed and the theoretical, methodological and practical conclusions derived from the results of the study are presented. Next, we cover the general conclusions, detailing for each group of factors including practical recommendations that can be drawn to guide implementation of these tools in real situations in companies. As a final part of the chapter the limitations of the study are included and a number of potential future researches suggested, along with research partial results which have been obtained thorough the research.

Efecto de las cubiertas ajardinadas sobre el microclima urbano de verano

El cambio climático y sus efectos requieren con urgencia el desarrollo de estrategias capaces no solo de mitigar pero también permitir la adaptación de los sistemas afectados por este fenómeno a los cambios que están provocando a nivel mundial. Olas de calor más largas y frecuentes, inundaciones, y graves sequías aumentan la vulnerabilidad de la población, especialmente en asentamientos urbanos. Este fenómeno y sus soluciones potenciales han sido ampliamente estudiados en las últimas décadas desde diferentes perspectivas y escalas que analizan desde el fenómeno regional de isla de calor al aumento de la intensidad energética necesaria en los edificios para mantener las condiciones de confort en los escenarios de calentamiento que se predicen. Su comprensión requiere el entendimiento de este fenómeno y un profundo análisis de las estrategias que pueden corregirlo y adaptarse a él. En la búsqueda de soluciones a este problema, las estrategias que incorporan sistemas naturales tales como las cubiertas ajardinadas, las fachadas vegetadas y bosques urbanos, se presentan como opciones de diseño capaces de proporcionan múltiples servicios al ecosistema urbano y de regular y hacer frente a los efectos del cambio climático. Entre los servicios que aportan estos sistemas naturales se incluyen la gestión de agua de tormentas, el control del efecto isla de calor, la mejora de la calidad del aire y del agua, el aumento de la diversidad, y como consecuencia de todo lo anterior, la reducción de la huella ecológica de las ciudades. En la última década, se han desarrollado múltiples estudios para evaluar y cuantificar los servicios al ecosistema proporcionados por las infraestructuras verdes, y específicamente las cubiertas ajardinadas, sin embargo, determinados servicios como la capacidad de la regulación del microclima urbano no ha sido apenas estudiados. La mayor parte de la literatura en este campo la componen estudios relacionados con la capacidad de las cubiertas ajardinadas de reducir el efecto de la isla de calor, en una escala local, o acerca de la reducción de la demanda energética de refrigeración debida a la instalación de cubiertas ajardinadas en la escala de edificio. La escala intermedia entre estos dos ámbitos, la calle, desde su ámbito habitable cercano al suelo hasta el límite superior del cañón urbano que configura, no han sido objeto detallado de estudio por lo que es esta escala el objeto de esta tesis doctoral. Esta investigación tiene como objeto contribuir en este campo y aportar un mayor entendimiento a través de la cuantificación del impacto de las cubiertas ajardinadas sobre la temperatura y humedad en el cañón urbano en la escala de calle y con un especial foco en el nivel peatonal. El primer paso de esta investigación ha sido la definición del objeto de estudio a través del análisis y revisión de trabajos tanto teóricos como empíricos que investigan los efectos de cubiertas ajardinadas en el entorno construido, entendidas como una herramienta para la adaptación y mitigación del impacto del cambio climático en las ciudades. La literatura analizada, revela el gran potencial de los sistemas vegetales como herramientas para el diseño pasivo puesto que no solo son capaces de mejorar las condiciones climáticas y microclimaticas en las ciudades reduciendo su demanda energética, sino también la necesidad de mayor análisis en la escala de calle donde confluyen el clima, las superficies urbanas y materiales y vegetación. Este análisis requiere una metodología donde se integren la respuesta térmica de edificios, las variaciones en los patrones de viento y radiación, y la interacción con la vegetación, por lo que un análisis cuantitativo puede ayudar a definir las estrategias más efectivas para lograr espacios urbanos más habitables. En este contexto, el objetivo principal de esta investigación ha sido la evaluación cuantitativa del impacto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano a escala de barrio en condiciones de verano en los climas mediterráneos continentales. Para el logro de este objetivo, se ha seguido un proceso que persigue identificar los modelos y herramientas de cálculo capaces de capturar el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima, identificar los parámetros que potencian o limitan este efecto, y cuantificar las variaciones que microclima creado en el cañón urbano produce en el consumo de energía de los edificios que rodean éste espacio. La hipótesis principal detrás de esta investigación y donde los objetivos anteriores se basan es el siguiente: "una cubierta ajardinada instalada en edificios de mediana altura favorece el establecimiento de microclimas a nivel peatonal y reduce las temperaturas en el entorno urbano donde se encuentra”. Con el fin de verificar la hipótesis anterior y alcanzar los objetivos propuestos se ha seguido la siguiente metodología: • definición del alcance y limitaciones del análisis • Selección de las herramientas y modelos de análisis • análisis teórico de los parámetros que afectan el efecto de las cubiertas ajardinadas • análisis experimental; • modelización energética • conclusiones y futuras líneas de trabajo Dada la complejidad de los fenómenos que intervienen en la generación de unas determinadas condiciones microclimáticas, se ha limitado el objeto de este estudio a las variables de temperatura y humedad, y sólo se han tenido en cuenta los componentes bióticos y abióticos del sistema, que incluyen la morfología, características superficiales del entorno estudiado, así como los elementos vegetales. Los componentes antrópicos no se han incluido en este análisis. La búsqueda de herramientas adecuadas para cumplir con los objetivos de este análisis ha concluido en la selección de ENVI-met v4 como el software más adecuado para esta investigación por su capacidad para representar los complejos fenómenos que caracterizan el microclima en cañones urbanos, en una escala temporal diaria y con unas escala local de vecindario. Esta herramienta supera el desafío que plantean los requisitos informáticos de un cálculo completo basado en elementos finitos realizados a través de herramientas de dinámica de fluidos computacional (CFD) que requieren una capacidad de cálculo computacional y tiempo privativos y en una escala dimensional y temporal limitada a esta capacidad computacional lo que no responde a los objetivos de esta investigación. ENVI-met 4 se basa es un modelo tridimensional del micro clima diseñado para simular las interacciones superficie-planta-aire en entornos urbanos. Basado en las ecuaciones fundamentales del equilibrio que representan, la conservación de masa, energía y momento. ENVI-met es un software predictivo, y como primer paso ha requerido la definición de las condiciones iniciales de contorno que se utilizan como punto de partida por el software para generar su propio perfil de temperatura y humedad diaria basada en la localización de la construcción, geometría, vegetación y las superficies de características físicas del entorno. La geometría de base utilizada para este primer análisis se ha basado en una estructura típica en cuanto al trazado urbano situada en Madrid que se ha simulado con una cubierta tradicional y una cubierta ajardinada en sus edificios. La estructura urbana seleccionada para este análisis comparativo es una red ortogonal con las calles principales orientadas este-oeste. El edificio típico que compone el vecindario se ha definido como “business as usual” (BAU) y se ha definido con una cubierta de baldosa de hormigón estándar, con un albedo 0.3, paredes con albedo 0.2 (construcción de muro de ladrillo típico) y cerramientos adiabáticos para evitar las posibles interferencias causadas por el intercambio térmico con el ambiente interior del edificio en los resultados del análisis. Para el caso de la cubierta ajardinada, se mantiene la misma geometría y características del edificio con excepción de la cobertura superficial de la azotea. Las baldosas de hormigón se han modificado con una cubierta ajardinada extensiva cubierta con plantas xerófilas, típicas en el clima de Madrid y caracterizado por su índice de densidad foliar, el “leaf area density” (LAD), que es la superficie total de superficie de hojas por unidad de volumen (m2/m3). El análisis se centra en los cañones urbanos entendidos como el espacio de calle comprendido entre los límites geométricos de la calle, verticales y horizontales, y el nivel superior de la cota urbana nivel de cubiertas. Los escenarios analizados se basan en la variación de la los principales parámetros que según la literatura analizada condicionan las variaciones microclimáticas en el ámbito urbano afectado por la vegetación, la velocidad del viento y el LAD de la azotea. Los resultados han sido registrados bajo condiciones de exposición solar diferentes. Las simulaciones fueron realizadas por los patrones de viento típico de verano, que para Madrid se caracterizan por vientos de componente suroeste que van desde 3 a 0 m/s. las simulaciones fueron realizadas para unas condiciones climáticas de referencia de 3, 2, 1 y 0 m/s a nivel superior del cañón urbano, como condición de contorno para el análisis. Los resultados calculados a 1,4 metros por encima del nivel del suelo, en el espacio habitado, mostraron que el efecto de la cubierta ajardinada era menor en condiciones de contorno con velocidades de viento más altas aunque en ningún caso el efecto de la cubierta verde sobre la temperatura del aire superó reducciones de temperatura de aire superiores a 1 º C. La humedad relativa no presentó variaciones significativas al comparar los diferentes escenarios. Las simulaciones realizadas para vientos con velocidad baja, entre 0 y 1 m/s mostraron que por debajo de 0.5 m/s la turbulencia del modelo aumentó drásticamente y se convirtió en el modelo inestable e incapaz de producir resultados fiables. Esto es debido al modelo de turbulencia en el software que no es válido para velocidades de viento bajas, lo que limita la capacidad de ENVI-met 4 para realizar simulaciones en estas condiciones de viento y es una de las principales conclusiones de este análisis en cuanto a la herramienta de simulación. También se comprobó el efecto de las densidades de la densidad de hoja (LAD) de los componentes vegetales en el modelo en la capa de aire inmediatamente superior a la cubierta, a 0,5 m sobre este nivel. Se compararon tres alternativas de densidad de hoja con la cubierta de baldosa de hormigón: el techo verde con LAD 0.3 (hierba típica o sedum), LAD 1.5 (plantas mixtas típicas) y LAD 2.5 (masa del árbol). Los resultados mostraron diferencias de temperatura muy relevante entre las diferentes alternativas de LAD analizadas. Los resultados muestran variaciones de temperatura que oscilan entre 3 y 5 º C al comparar el estándar de la azotea concreta con albedo 0, 3 con el techo con vegetación y vegetación densa, mostrando la importancia del LAD en la cuantificación de los efectos de las cubiertas vegetales en microclima circundante, lo que coincide con los datos reportados en la literatura existente y con los estudios empíricos analizados. Los resultados de los análisis teóricos han llegado a las siguientes conclusiones iniciales relacionadas con la herramienta de simulación y los resultados del modelo: En relación con la herramienta ENVI-met, se han observado limitaciones para el análisis. En primer lugar, la estructura rígida de la geometría, las bases de datos y el tamaño de la cuadrícula, limitan la escala y resolución de los análisis no permitiendo el desarrollo de grandes zonas urbanas. Por otro lado la estructura de ENVI-met permite el desarrollo de este tipo de simulación tan complejo dentro de tiempos razonables de cálculo y requerimientos computacionales convencionales. Otra limitación es el modelo de turbulencia del software, que no modela correctamente velocidades de viento bajas (entre 0 y 1 m/s), por debajo de 0,5 m/s el modelo da errores y no es estable, los resultados a estas velocidades no son fiables porque las turbulencias generadas por el modelo hacen imposible la extracción de patrones claros de viento y temperatura que permitan la comparación entre los escenarios de cubierta de hormigón y ajardinada. Además de las limitaciones anteriores, las bases de datos y parámetros de entrada en la versión pública del software están limitados y la complejidad de generar nuevos sistemas adaptándolos al edificio o modelo urbano que se quiera reproducir no es factible salvo en la versión profesional del software. Aparte de las limitaciones anteriores, los patrones de viento y perfiles de temperatura generados por ENVI-met concuerdan con análisis previos en los que se identificaban patrones de variación de viento y temperaturas en cañones urbanos con patrones de viento, relación de aspecto y dimensiones similares a los analizados en esta investigación. Por lo tanto, el software ha demostrado una buena capacidad para reproducir los patrones de viento en los cañones de la calle y capturar el efecto de enfriamiento producido por la cubierta verde en el cañón. En relación con el modelo, el resultado revela la influencia del viento, la radiación y el LAD en la temperatura del aire en cañones urbanos con relación de aspecto comprendida entre 0,5 y 1. Siendo el efecto de la cubierta verde más notable en cañones urbanos sombreados con relación de aspecto 1 y velocidades de viento en el nivel de “canopy” (por encima de la cubierta) de 1 m/s. En ningún caso las reducciones en la temperatura del aire excedieron 1 º C, y las variaciones en la humedad relativa no excedieron 1% entre los escenarios estudiados. Una vez que se han identificado los parámetros relevantes, que fueron principalmente la velocidad del viento y el LAD, se realizó un análisis experimental para comprobar los resultados obtenidos por el modelo. Para éste propósito se identificó una cubierta ajardinada de grandes dimensiones capaz de representar la escala urbana que es el objeto del estudio. El edificio usado para este fin fue el parking de la terminal 4 del aeropuerto internacional de Madrid. Aunque esto no es un área urbana estándar, la escala y la configuración del espacio alrededor del edificio fueron considerados aceptables para el análisis por su similitud con el contexto urbano objeto de estudio. El edificio tiene 800 x 200 m, y una altura 15 m. Está rodeado de vías de acceso pavimentadas con aceras conformando un cañón urbano limitado por el edificio del parking, la calle y el edificio de la terminal T4. El aparcamiento está cerrado con fachadas que configuran un espacio urbano de tipo cañón, con una relación de aspecto menor que 0,5. Esta geometría presenta patrones de viento y velocidad dentro del cañón que difieren ligeramente de los generados en el estudio teórico y se acercan más a los valores a nivel de canopo sobre la cubierta del edificio, pero que no han afectado a la tendencia general de los resultados obtenidos. El edificio cuenta con la cubierta ajardinada más grande en Europa, 12 Ha cubiertas por con una mezcla de hierbas y sedum y con un valor estimado de LAD de 1,5. Los edificios están rodeados por áreas plantadas en las aceras y árboles de sombra en las fachadas del edificio principal. El efecto de la cubierta ajardinada se evaluó mediante el control de temperaturas y humedad relativa en el cañón en un día típico de verano. La selección del día se hizo teniendo en cuenta las predicciones meteorológicas para que fuesen lo más semejantes a las condiciones óptimas para capturar el efecto de la cubierta vegetal sobre el microclima urbano identificadas en el modelo teórico. El 09 de julio de 2014 fue seleccionado para la campaña de medición porque las predicciones mostraban 1 m/s velocidad del viento y cielos despejados, condiciones muy similares a las condiciones climáticas bajo las que el efecto de la cubierta ajardinada era más notorio en el modelo teórico. Las mediciones se registraron cada hora entre las 9:00 y las 19:00 en 09 de julio de 2014. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron en 5 niveles diferentes, a 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 y 16 m por encima del suelo y a 0,5 m de distancia de la fachada del edificio. Las mediciones fueron tomadas en tres escenarios diferentes, con exposición soleada, exposición la sombra y exposición influenciada por los árboles cercanos y suelo húmedo. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron con un equipo TESTO 410-2 con una resolución de 0,1 ºC para temperatura, 0,1 m/s en la velocidad del viento y el 0,1% de humedad relativa. Se registraron las temperaturas de la superficie de los edificios circundantes para evaluar su efecto sobre los registros usando una cámara infrarroja FLIR E4, con resolución de temperatura 0,15ºC. Distancia mínima a la superficie de 0,5 m y rango de las mediciones de Tª de - 20 º C y 250 º C. Los perfiles de temperatura extraídos de la medición in situ mostraron la influencia de la exposición solar en las variaciones de temperatura a lo largo del día, así como la influencia del calor irradiado por las superficies que habían sido expuestas a la radiación solar así como la influencia de las áreas de jardín alrededor del edificio. Después de que las medidas fueran tomadas, se llevaron a cabo las siguientes simulaciones para evaluar el impacto de la cubierta ajardinada en el microclima: a. estándar de la azotea: edificio T4 asumiendo un techo de tejas de hormigón con albedo 0.3. b. b. cubierta vegetal : T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con valor bajo del LAD (0.5)-techo de sedum simple. c. c. cubierta vegetal: T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con alta joven valor 1.5-mezcla de plantas d. d. cubierta ajardinada más vegetación nivel calle: el edificio T4 con LAD 1.5, incluyendo los árboles existentes a nivel de calle. Este escenario representa las condiciones actuales del edificio medido. El viento de referencia a nivel de cubierta se fijó en 1 m/s, coincidente con el registro de velocidad de viento en ese nivel durante la campaña de medición. Esta velocidad del viento se mantuvo constante durante toda la campaña. Bajo las condiciones anteriores, los resultados de los modelos muestran un efecto moderado de azoteas verdes en el microclima circundante que van desde 1 º a 2 º C, pero una contribución mayor cuando se combina con vegetación a nivel peatonal. En este caso las reducciones de temperatura alcanzan hasta 4 ºC. La humedad relativa sin embargo, no presenta apenas variación entre los escenarios con y sin cubierta ajardinada. Las temperaturas medidas in situ se compararon con resultados del modelo, mostrando una gran similitud en los perfiles definidos en ambos casos. Esto demuestra la buena capacidad de ENVI-met para reproducir el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima y por tanto para el fin de esta investigación. Las diferencias más grandes se registraron en las áreas cercanas a las zonas superiores de las fachadas que estaban más expuestas a la radiación del sol y también el nivel del suelo, por la influencia de los pavimentos. Estas diferencias se pudieron causar por las características de los cerramientos en el modelo que estaban limitados por los datos disponibles en la base de datos de software, y que se diferencian con los del edificio real. Una observación importante derivada de este estudio es la contribución del suelo húmedo en el efecto de la cubierta ajardinada en la temperatura del aire. En el escenario de la cubierta ajardinada con los arboles existentes a pie de calle, el efecto del suelo húmedo contribuye a aumentar las reducciones de temperatura hasta 4.5ºC, potenciando el efecto combinado de la cubierta ajardinada y la vegetación a pie de calle. Se realizó un análisis final después de extraer el perfil horario de temperaturas en el cañón urbano influenciado por el efecto de las cubiertas ajardinadas y los árboles. Con esos perfiles modificados de temperatura y humedad se desarrolló un modelo energético en el edificio asumiendo un edificio cerrado y climatizado, con uso de oficinas, una temperatura de consigna de acuerdo al RITE de 26 ºC, y con los sistemas por defecto que establece el software para el cálculo de la demanda energética y que responden a ASHRAE 90.1. El software seleccionado para la simulación fue Design Builder, por su capacidad para generar simulaciones horarias y por ser una de las herramientas de simulación energética más reconocidas en el mercado. Los perfiles modificados de temperatura y humedad se insertaron en el año climático tipo y se condujo la simulación horaria para el día definido, el 9 de Julio. Para la simulación se dejaron por defecto los valores de conductancia térmica de los cerramientos y la eficiencia de los equipos de acuerdo a los valores que fija el estándar ASHRAE para la zona climática de Madrid, que es la 4. El resultado mostraba reducciones en el consumo de un día pico de hasta un 14% de reducción en las horas punta. La principal conclusión de éste estudio es la confirmación del potencial de las cubiertas ajardinadas como una estrategia para reducir la temperatura del aire y consumo de energía en los edificios, aunque este efecto puede ser limitado por la influencia de los vientos, la radiación y la especie seleccionada para el ajardinamiento, en especial de su LAD. Así mismo, en combinación con los bosques urbanos su efecto se potencia e incluso más si hay pavimentos húmedos o suelos porosos incluidos en la morfología del cañón urbano, convirtiéndose en una estrategia potencial para adaptar los ecosistemas urbanos el efecto aumento de temperatura derivado del cambio climático. En cuanto a la herramienta, ENVI-met se considera una buena opción para éste tipo de análisis dada su capacidad para reproducir de un modo muy cercano a la realidad el efecto de las cubiertas. Aparte de ser una herramienta validada en estudios anteriores, en el caso experimental se ha comprobado por medio de la comparación de las mediciones con los resultados del modelo. A su vez, los resultados y patrones de vientos generados en los cañones urbanos coinciden con otros estudios similares, concluyendo por tanto que es un software adecuado para el objeto de esta tesis doctoral. Como líneas de investigación futura, sería necesario entender el efecto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano en diferentes zonas climáticas, así como un mayor estudio de otras variables que no se han observado en este análisis, como la temperatura media radiante y los indicadores de confort. Así mismo, la evaluación de otros parámetros que afectan el microclima urbano tales como variables geométricas y propiedades superficiales debería ser analizada en profundidad para tener un resultado que cubra todas las variables que afectan el microclima en el cañón urbano. ABSTRACT Climate Change is posing an urgency in the development of strategies able not only to mitigate but also adapt to the effects that this global problem is evidencing around the world. Heat waves, flooding and severe draughts increase the vulnerability of population, and this is especially critical in urban settlements. This has been extensively studied over the past decades, addressed from different perspectives and ranging from the regional heat island analysis to the building scale. Its understanding requires physical and dimensional analysis of this broad phenomenon and a deep analysis of the factors and the strategies which can offset it. In the search of solutions to this problem, green infrastructure elements such as green roofs, walls and urban forests arise as strategies able provide multiple regulating ecosystem services to the urban environment able to cope with climate change effects. This includes storm water management, heat island effect control, and improvement of air and water quality. Over the last decade, multiple studies have been developed to evaluate and quantify the ecosystem services provided by green roofs, however, specific regulating services addressing urban microclimate and their impact on the urban dwellers have not been widely quantified. This research tries to contribute to fill this gap and analyzes the effects of green roofs and urban forests on urban microclimate at pedestrian level, quantifying its potential for regulating ambient temperature in hot season in Mediterranean –continental climates. The study is divided into a sequence of analysis where the critical factors affecting the performance of the green roof system on the microclimate are identified and the effects of the green roof is tested in a real case study. The first step has been the definition of the object of study, through the analysis and review of theoretical and empirical papers that investigate the effects of covers landscaped in the built environment, in the context of its use as a tool for adaptation and mitigation of the impact of climate change on cities and urban development. This literature review, reveals the great potential of the plant systems as a tool for passive design capable of improving the climatic and microclimatic conditions in the cities, as well as its positive impact on the energy performance of buildings, but also the need for further analysis at the street scale where climate, urban surfaces and materials, and vegetation converge. This analysis requires a methodology where the thermal buildings response, the variations in the patterns of wind and the interaction of the vegetation are integrated, so a quantitative analysis can help to define the most effective strategies to achieve liveable urban spaces and collaterally, , the improvement of the surrounding buildings energy performance. In this specific scale research is needed and should be customized to every climate, urban condition and nature based strategy. In this context, the main objective for this research was the quantitative assessment of the Green roof impact on the urban microclimate at a neighbourhood scale in summer conditions in Mediterranean- continental climates. For the achievement of this main objective, the following secondary objectives have been set: • Identify the numerical models and calculation tools able to capture the effect of the roof garden on the microclimate. • Identify the enhancing or limiting parameter affecting this effect. • Quantification of the impact of the microclimate created on the energy consumption of buildings surrounding the street canyon analysed. The main hypothesis behind this research and where the above objectives are funded on is as follows: "An extensive roof installed in medium height buildings favours the establishment of microclimates at the pedestrian level and reduces the temperatures in the urban environment where they are located." For the purpose of verifying the above hypothesis and achieving the proposed objectives the following methodology has been followed: - Definition of hypothesis and objectives - Definition of the scope and limitations - Theoretical analysis of parameters affecting gren roof performance - Experimental analysis; - Energy modelling analyisis - Conclusions and future lines of work The search for suitable tools and models for meeting the objectives of this analysis has led to ENVI-met v4 as the most suitable software for this research. ENVI met is a three-dimensional micro-climate model designed to simulate the surface-plant-air interactions in urban environments. Based in the fundamental equations representing, mass, energy and momentum conservation, the software has the capacity of representing the complex phenomena characterizing the microclimate in urban canyons, overcoming the challenge posed by the computing requirements of a full calculus based on finite elements done via traditional computational fluid dynamics tools. Once the analysis tool has been defined, a first set of analysis has been developed to identify the main parameters affecting the green roof influence on the microclimate. In this analysis, two different scenarios are compared. A neighborhood with standard concrete tile roof and the same configuration substituting the concrete tile by an extensive green roof. Once the scenarios have been modeled, different iterations have been run to identify the influence of different wind patterns, solar exposure and roof vegetation type on the microclimate, since those are the most relevant variables affecting urban microclimates. These analysis have been run to check the conditions under which the effects of green roofs get significance. Since ENVI-met V4 is a predictive software, the first step has been the definition of the initial weather conditions which are then used as starting point by the software, which generates its own daily temperature and humidity profile based on the location of the building, geometry, vegetation and the surfaces physical characteristics. The base geometry used for this first analysis has been based on a typical urban layout structure located in Madrid, an orthogonal net with the main streets oriented East-West to ease the analysis of solar radiation in the different points of the model. This layout represents a typical urban neighborhood, with street canyons keeping an aspect ratio between 0.5 and 1 and high sky view factor to ensure correct sun access to the streets and buildings and work with typical wind flow patterns. Finally, the roof vegetation has been defined in terms of foliage density known as Leaf Area Density (LAD) and defined as the total one-sided leaf area per unit of layer volume. This index is the most relevant vegetation characteristic for the purpose of calculating the effect of vegetation on wind and solar radiation as well as the energy consumed during its metabolic processes. The building as usual (BAU) configuring the urban layout has been defined with standard concrete tile roofs, considering 0.3 albedo. Walls have been set with albedo 0.2 (typical brick wall construction) and adiabatic to avoid interference caused by thermal interchanges with the building indoor environment. For the proposed case, the same geometry and building characteristics have been kept. The only change is the roof surface coverage. The gravel on the roof has been changed with an extensive green roof covered with drought tolerant plants, typical in Madrid climate, and characterized by their LAD. The different scenarios analysed are based in the variation of the wind speed and the LAD of the roof. The results have been recorded under different sun exposure conditions. Simulations were run for the typical summer wind patterns, that for Madrid are characterized by South-west winds ranging from 3 to 0 m/s. Simulations were run for 3, 2, 1 and 0 m/s at urban canopy level. Results taken at 1.4 m above the ground showed that the green roof effect was lower with higher wind speeds and in any case the effect of the green roof on the air temperatures exceeded air temperature reductions higher than 1ºC. Relative humidity presented no variations when comparing the different scenarios. For the analysis at 0m/s, ENVI-met generated error and no results were obtained. Different simulations showed that under 0.5 m/s turbulence increased dramatically and the model became unstable and unable to produce reliable results. This is due to the turbulence model embedded in the software which is not valid for low wind speeds (below 1 m/s). The effect of the different foliage densities was also tested in the model. Three different alternatives were compared against the concrete roof: green roof with LAD 0.3 ( typical grass or sedum), 1.5 (typical mixed plants) and 2.5 (tree mass). The results showed very relevant temperature differences between the different LAD alternatives analyzed. Results show temperature variations ranging between 3 and 5 ºC when comparing the standard concrete roof with albedo 0, 3 with the vegetated roof and vegetated mass, showing the relevance of the LAD on the effects of green roofs on microclimate. This matches the data reported in existing literature and empirical studies and confirms the relevance of the LAD in the roof effect on the surrounding microclimate. The results of the theoretical analysis have reached the following initial conclusions related to both, the simulation tool and the model results: • In relation to the tool ENVI-met, some limitations for the analysis have been observed. In first place, the rigid structure of the geometry, the data bases and the grid size, limit the scale and resolution of the analysis not allowing the development of large urban areas. On the other hand the ENVI-met structure enables the development of this type of complex simulation within reasonable times and computational requirements for the purpose of this analysis. Additionally, the model is unable to run simulations at wind speeds lower than 0.5 m/s, and even at this speed, the results are not reliable because the turbulences generated by the model that made impossible to extract clear temperature differences between the concrete and green roof scenarios. Besides the above limitations, the wind patterns and temperature profiles generated by ENVImet are in agreement with previous analysis identifying wind patterns in urban canyons with similar characteristics and aspect ratio. Therefore the software has shown a good capacity for reproducing the wind effects in the street canyons and seems to capture the cooling effect produced by the green roof. • In relation to the model, the results reveals the influence of wind, radiation and LAD on air temperature in urban canyons with aspect ratio comprised between 0.5 and 1. Being the effect of the green roof more noticeable in shaded urban canyons with aspect ratio 1 and wind speeds of 1 m/s. In no case the reductions in air temperature exceeded 1ºC. Once the relevant parameters have been identified, mainly wind speed and LAD, an experimental analysis was conducted to test the results obtained by the model. For this purpose a large green roof was identified, able to represent the urban scale which is the object of the studio. The building identified for this purpose was the terminal 4, parking building of the international Madrid Airport. Even though this is not a standard urban area, the scale and configuration of the space around the building were deemed as acceptable for the analysis. The building is an 800x200 m, 15 m height parking building, surrounded by access paved paths and the terminal building. The parking is enclosed with facades that configure an urban canyon-like space, although the aspect ratio is lower than 0.5 and the wind patterns might differ from the theoretical model run. The building features the largest green roof in Europe, a 12 Ha extensive green roof populated with a mix of herbs and sedum with a LAD of 1.5. The buildings are surrounded by planted areas at the sidewalk and trees shading the main building facades. Green roof performance was evaluated by monitoring temperatures and relative humidity in the canyon in a typical summer day. The day selection was done taking into account meteorological predictions so the weather conditions on the measurement day were as close as possible as the optimal conditions identified in terms of green roof effects on the urban canyon. July 9th 2014 was selected for the measurement campaign because the predictions showed 1 m/s wind speed and sunny sky, which were very similar to the weather conditions where the effect of the green roof was most noticeable in the theory model. Measurements were registered hourly from 9:00am to 19:00 on July 9th 2014. Temperature, relative humidity and wind speed were recorded at 5 different levels, at 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 and 16 m above ground and at 0.5 m distance from the building façade. Measurements were taken in three different scenarios, sunny exposure, shaded exposure, and shaded exposure influenced by nearby trees and moist soil. Temperature, relative humidity and wind speed were registered using a TESTO 410-2 anemometer, with 0.1ºC resolution for temperature, 0.1 m/s resolution for wind speed and 0.1 % for relative humidity. Surface temperatures were registered using an infrared camera FLIR E4, with temperature resolution 0.15ºC. Minimal distance to surface of 0.5 m and Tª measurements range from -20ºC and 250ºC. The temperature profiles measured on the site showed the influence of solar exposure on the temperature variations along the day, as well as the influence of the heat irradiated by the building surfaces which had been exposed to the sun radiation and those influenced by the moist soft areas around the building. After the measurements were taken, the following simulations were conducted to evaluate the impact of the green roof on the microclimate: a. Standard roof: T4 building assuming a concrete tile roof with albedo 0.3. b. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with low LAD value (0.5)-Simple Sedum roof. c. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with high LAD value 1.5- Lucerne and grasses d. Green roof plus street level vegetation: T4 Building, LAD 1.5 (Lucerne), including the existing trees at street level. This scenario represents the current conditions of the building. The urban canopy wind was set as 1 m/s, the wind speed register at that level during the measurement campaign. This wind speed remained constant over the whole campaign. Under the above conditions, the results of the models show a moderate effect of green roofs on the surrounding microclimate ranging from 1ºC to 2ºC, but a larger contribution when combining it with vegetation at pedestrian level, where 4ºC temperature reductions are reached. Relative humidity remained constant. Measured temperatures and relative humidity were compared to model results, showing a close match in the profiles defined in both cases and the good capacity of ENVI met to capture the impact of the green roof in this analysis. The largest differences were registered in the areas close to the top areas of the facades which were more exposed to sun radiation and also near to the soil level. These differences might be caused by differences between the materials properties included in the model (which were limited by the data available in the software database) and those in the real building. An important observation derived from this study is the contribution of moist soil to the green roof effect on air temperatures. In the green roof scenario with surrounding trees, the effect of the moist soil contributes to raise the temperature reductions at 4.5ºC. A final analysis was conducted after extracting the hourly temperature profile in the street canyon influenced by the effect of green roofs and trees. An energy model was run on the building assuming it was a conventional enclosed building. Energy demand reductions were registered in the building reaching up to 14% reductions at the peak hour. The main conclusion of this study is the potential of the green roofs as a strategy for reducing air temperatures and energy consumption in the buildings, although this effect can be limited by the influence of high speed winds. This effect can be enhanced its combination with urban forests and even more if soft moist pavements are included in the urban canyon morphology, becoming a potential strategy for adapting urban ecosystems to the increasing temperature effect derived from climate change.

Complete resolution of the solid-state NMR spectrum of a uniformly 15N-labeled membrane protein in phospholipid bilayers

Complete resolution of the amide resonances in a three-dimensional solid-state NMR correlation spectrum of a uniformly 15N-labeled membrane protein in oriented phospholipid bilayers is demonstrated. The three orientationally dependent frequencies, 1H chemical shift, 1H–15N dipolar coupling, and 15N chemical shift, associated with each amide resonance are responsible for resolution among resonances and provide sufficient angular restrictions for protein structure determination. Because the protein is completely immobilized by the phospholipids on the relevant NMR time scales (10 kHz), the linewidths will not degrade in the spectra of larger proteins. Therefore, these results demonstrate that solid-state NMR experiments can overcome the correlation time problem and extend the range of proteins that can have their structures determined by NMR spectroscopy to include uniformly 15N-labeled membrane proteins in phospholipid bilayers.

The cysteine-rich frizzled domain of Frzb-1 is required and sufficient for modulation of Wnt signaling

Convincing evidence has accumulated to identify the Frizzled proteins as receptors for the Wnt growth factors. In parallel, a number of secreted frizzled-like proteins with a conserved N-terminal frizzled motif have been identified. One of these proteins, Frzb-1, binds Wnt-1 and Xwnt-8 proteins and antagonizes Xwnt-8 signaling in Xenopus embryos. Here we report that Frzb-1 blocks Wnt-1 induced cytosolic accumulation of β-catenin, a key component of the Wnt signaling pathway, in human embryonic kidney cells. Structure/function analysis reveals that complete removal of the frizzled domain of Frzb-1 abolishes the Wnt-1/Frzb-1 protein interaction and the inhibition of Wnt-1 mediated axis duplication in Xenopus embryos. In contrast, removal of the C-terminal portion of the molecule preserves both Frzb-Wnt binding and functional inhibition of Wnt signaling. Partial deletions of the Frzb-1 cysteine-rich domain maintain Wnt-1 interaction, but functional inhibition is lost. Taken together, these findings support the conclusion that the frizzled domain is necessary and sufficient for both activities. Interestingly, Frzb-1 does not block Wnt-5A signaling in a Xenopus functional assay, even though Wnt-5A coimmunoprecipitates with Frzb-1, suggesting that coimmunoprecipitation does not necessarily imply inhibition of Wnt function.

Methionine residues as endogenous antioxidants in proteins

Cysteine and methionine are the two sulfur-containing residues normally found in proteins. Cysteine residues function in the catalytic cycle of many enzymes, and they can form disulfide bonds that contribute to protein structure. In contrast, the specific functions of methionine residues are not known. We propose that methionine residues constitute an important antioxidant defense mechanism. A variety of oxidants react readily with methionine to form methionine sulfoxide, and surface exposed methionine residues create an extremely high concentration of reactant, available as an efficient oxidant scavenger. Reduction back to methionine by methionine sulfoxide reductases would allow the antioxidant system to function catalytically. The effect of hydrogen peroxide exposure upon glutamine synthetase from Escherichia coli was studied as an in vitro model system. Eight of the 16 methionine residues could be oxidized with little effect on catalytic activity of the enzyme. The oxidizable methionine residues were found to be relatively surface exposed, whereas the intact residues were generally buried within the core of the protein. Furthermore, the susceptible residues were physically arranged in an array that guarded the entrance to the active site.

Protein fluctuations are sensed by stimulated infrared echoes of the vibrations of carbon monoxide and azide probes

The correlation functions of the fluctuations of vibrational frequencies of azide ions and carbon monoxide in proteins are determined directly from stimulated photon echoes generated with femtosecond infrared pulses. The asymmetric stretching vibration of azide bound to carbonic anhydrase II exhibits a pronounced evolution of its vibrational frequency distribution on the time scale of a few picoseconds, which is attributed to modifications of the ligand structure through interactions with the nearby Thr-199. When azide is bound in hemoglobin, a more complex evolution of the protein structure is required to interchange the different ligand configurations, as evidenced by the much slower relaxation of the frequency distribution in this case. The time evolution of the distribution of frequencies of carbon monoxide bound in hemoglobin occurs on the ≈10-ps time scale and is very nonexponential. The correlation functions of the frequency fluctuations determine the evolution of the protein structure local to the probe and the extent to which the probe can navigate those parts of the energy landscape where the structural configurations are able to modify the local potential energy function of the probe.

Evolutionary specialization of the nuclear targeting apparatus

The α- and β-karyopherins (Kaps), also called importins, mediate the nuclear transport of proteins. All α-Kaps contain a central domain composed of eight approximately 40 amino acid, tandemly arranged, armadillo-like (Arm) repeats. The number and order of these repeats have not changed since the common origin of fungi, plants, and mammals. Phylogenetic analysis suggests that the various α-Kaps fall into two groups, α1 and α2. Whereas animals encode both types, the yeast genome encodes only an α1-Kap. The β-Kaps are characterized by 14–15 tandemly arranged HEAT motifs. We show that the Arm repeats of α-Kaps and the HEAT motifs of β-Kaps are similar, suggesting that the α-Kaps and β-Kaps (and for that matter, all Arm and HEAT repeat-containing proteins) are members of the same protein superfamily. Phylogenetic analysis indicates that there are at least three major groups of β-Kaps, consistent with their proposed cargo specificities. We present a model in which an α-independent β-Kap progenitor gave rise to the α-dependent β-Kaps and the α-Kaps.

Chloroplast-Targeted ERD1 Protein Declines but Its mRNA Increases during Senescence in Arabidopsis1

Arabidopsis ERD1 is a ClpC-like protein that sequence analysis suggests may interact with the chloroplast-localized ClpP protease to facilitate proteolysis. The mRNA encoded by the ERD1 gene has previously been shown to accumulate in response to senescence and to a variety of stresses and hormones. Here we show that the ERD1 protein, in contrast to the ERD1 mRNA, strongly declines in abundance with age, becoming undetectable in fully expanded leaves. Sequence analysis also suggests that ERD1 is chloroplast targeted, and we show in an in vitro system that the native protein is properly imported, processed, and present within the soluble fraction of the chloroplast, presumably the stroma. We show that ClpP protein, which is also present in the stroma, declines with age in parallel with ERD1. These results are consistent with the interaction of ERD1 and ClpP, but they suggest that it is unlikely that either plays a major role during senescence. Certain other chloroplast proteins decline with age coordinately with ERD1 and ClpP, suggesting that these declines are markers of an early age-mediated change that occurs within the chloroplast.