A direct D-bar reconstruction algorithm for recovering a complex conductivity in 2D

A direct reconstruction algorithm for complex conductivities in W-2,W-infinity(Omega), where Omega is a bounded, simply connected Lipschitz domain in R-2, is presented. The framework is based on the uniqueness proof by Francini (2000 Inverse Problems 6 107-19), but equations relating the Dirichlet-to-Neumann to the scattering transform and the exponentially growing solutions are not present in that work, and are derived here. The algorithm constitutes the first D-bar method for the reconstruction of conductivities and permittivities in two dimensions. Reconstructions of numerically simulated chest phantoms with discontinuities at the organ boundaries are included.

Electrostatic potentials and polarization effects in proton-molecule interactions by means of multipoles from the quantum theory of atoms in molecules

Some atomic multipoles (charges, dipoles and quadrupoles) from the Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM) and CHELPG charges are used to investigate interactions between a proton and a molecule (F2, Cl2, BF, AlF, BeO, MgO, LiH, H2CO, NH3, PH3, BF3, and CO2). Calculations were done at the B3LYP/6-311G(3d,3p) level. The main aspect of this work is the investigation of polarization effects over electrostatic potentials and atomic multipoles along a medium to long range of interaction distances. Large electronic charge fluxes and polarization changes are induced by a proton mainly when this positive particle approaches the least electronegative atom of diatomic heteronuclear molecules. The search for simple equations to describe polarization on electrostatic potentials from QTAIM quantities resulted in linear relations with r-4 (r is the interaction distance) for many cases. Moreover, the contribution from atomic dipoles to these potentials is usually the most affected contribution by polarization what reinforces the need for these dipoles to a minimal description of purely electrostatic interactions. Finally, CHELPG charges provide a description of polarization effects on electrostatic potentials that is in disagreement with physical arguments for certain of these molecules. (c) 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm Based on Reinforcement Learning to Optimization of Broad-Band Reflector Antennas Satellite

This paper aims to provide an improved NSGA-II (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm-version II) which incorporates a parameter-free self-tuning approach by reinforcement learning technique, called Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm Based on Reinforcement Learning (NSGA-RL). The proposed method is particularly compared with the classical NSGA-II when applied to a satellite coverage problem. Furthermore, not only the optimization results are compared with results obtained by other multiobjective optimization methods, but also guarantee the advantage of no time-spending and complex parameter tuning.

A regional multirnodulus algorithm for blind equalization of QAM signals: Introduction and steady-state analysis

It is well known that constant-modulus-based algorithms present a large mean-square error for high-order quadrature amplitude modulation (QAM) signals, which may damage the switching to decision-directed-based algorithms. In this paper, we introduce a regional multimodulus algorithm for blind equalization of QAM signals that performs similar to the supervised normalized least-mean-squares (NLMS) algorithm, independently of the QAM order. We find a theoretical relation between the coefficient vector of the proposed algorithm and the Wiener solution and also provide theoretical models for the steady-state excess mean-square error in a nonstationary environment. The proposed algorithm in conjunction with strategies to speed up its convergence and to avoid divergence can bypass the switching mechanism between the blind mode and the decision-directed mode. (c) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Modeling and measuring the spatial relation "along": Regions, contours and fuzzy sets

The analysis of spatial relations among objects in an image is an important vision problem that involves both shape analysis and structural pattern recognition. In this paper, we propose a new approach to characterize the spatial relation along, an important feature of spatial configurations in space that has been overlooked in the literature up to now. We propose a mathematical definition of the degree to which an object A is along an object B, based on the region between A and B and a degree of elongatedness of this region. In order to better fit the perceptual meaning of the relation, distance information is included as well. In order to cover a more wide range of potential applications, both the crisp and fuzzy cases are considered. In the crisp case, the objects are represented in terms of 2D regions or ID contours, and the definition of the alongness between them is derived from a visibility notion and from the region between the objects. However, the computational complexity of this approach leads us to the proposition of a new model to calculate the between region using the convex hull of the contours. On the fuzzy side, the region-based approach is extended. Experimental results obtained using synthetic shapes and brain structures in medical imaging corroborate the proposed model and the derived measures of alongness, thus showing that they agree with the common sense. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

VEGF-C expression in oral cancer by neurotransmitter-induced activation of beta-adrenergic receptors

The aim of this study was to investigate the expression of vascular endothelial growth factor type C (VEGF-C) in oral squamous cell carcinoma (OSCC) cell lines through norepinephrine-induced activation of beta-adrenergic receptors. Human OSCC cell lines (SCC-9 and SCC-25) expressing beta-adrenergic receptors were stimulated with different concentrations of norepinephrine (0.1, 1, and 10 μM) and 1 μMof propranolol, and analyzed after 1, 6, and 24 h. VEGF-C gene expression and VEGF-C production in the cell supernatant were evaluated by real-time PCR and by ELISA, respectively. The results showed that beta-adrenergic receptor stimulation by different concentrations of norepinephrine or blocking by propranolol did not markedly alter VEGF-C expression by SCC-9 and SCC-25 cells. VEGF-C protein levels produced by oral malignant cell lines after stimulation with different norepinephrine concentrations or blocking with propranolol was statistically similar (p>0.05) to those of the control group (nonstimulated OSCC cell lines). Our findings suggest that stimulation of beta-adrenergic receptors by means of norepinephrine does not seem to modulate the VEGF-C expression in OSCC cell lines. These findings reinforce the need for further studies in order to understand the responsiveness of oral cancer to beta-adrenergic receptor stimulation or blockage, especially with regard to VEGF-C production.

Ecosystem approach and the Fuzzy logic: a dialectical proposal for information on Environmental Health

The ever-growing production and the problematization of Environmental Health have shown the need to apprehend complex realities and deal with uncertainties from the most diversified instruments which may even incorporate local aspects and subjectivities by means of qualitative realities, while broadening the capacity of the information system. This paper presents a view on the reflection upon some challenges and possible convergences between the ecosystemic approach and the Fuzzy logic in the process of dealing with scientific information and decision-making in Environmental Health.

Classification of the severity of diabetic neuropathy: a new approach taking uncertainties into account using fuzzy logic

OBJECTIVE: This study proposes a new approach that considers uncertainty in predicting and quantifying the presence and severity of diabetic peripheral neuropathy. METHODS: A rule-based fuzzy expert system was designed by four experts in diabetic neuropathy. The model variables were used to classify neuropathy in diabetic patients, defining it as mild, moderate, or severe. System performance was evaluated by means of the Kappa agreement measure, comparing the results of the model with those generated by the experts in an assessment of 50 patients. Accuracy was evaluated by an ROC curve analysis obtained based on 50 other cases; the results of those clinical assessments were considered to be the gold standard. RESULTS: According to the Kappa analysis, the model was in moderate agreement with expert opinions. The ROC analysis (evaluation of accuracy) determined an area under the curve equal to 0.91, demonstrating very good consistency in classifying patients with diabetic neuropathy. CONCLUSION: The model efficiently classified diabetic patients with different degrees of neuropathy severity. In addition, the model provides a way to quantify diabetic neuropathy severity and allows a more accurate patient condition assessment.

Structure of the PilZ-FimXEAL-c-di-GMP complex responsible for the regulation of bacterial type IV pilus biogenesis

Signal transduction pathways mediated by cyclic-bis(3'→5')-dimeric GMP (c-di-GMP) control many important and complex behaviors in bacteria. C-di-GMP is synthesized through the action of GGDEF domains that possess diguanylate cyclase activity and is degraded by EAL or HD-GYP domains with phosphodiesterase activity. There is mounting evidence that some important c-di-GMP-mediated pathways require protein-protein interactions between members of the GGDEF, EAL, HD-GYP and PilZ protein domain families. For example, interactions have been observed between PilZ and the EAL domain from FimX of Xanthomonas citri (Xac). FimX and PilZ are involved in the regulation of type IV pilus biogenesis via interactions of the latter with the hexameric PilB ATPase associated with the bacterial inner membrane. Here, we present the crystal structure of the ternary complex made up of PilZ, the FimX EAL domain (FimXEAL) and c-di-GMP. PilZ interacts principally with the lobe region and the N-terminal linker helix of the FimXEAL. These interactions involve a hydrophobic surface made up of amino acids conserved in a non-canonical family of PilZ domains that lack intrinsic c-di-GMP binding ability and strand complementation that joins β-sheets from both proteins. Interestingly, the c-di-GMP binds to isolated FimXEAL and to the PilZ-FimXEAL complex in a novel conformation encountered in c-di-GMP-protein complexes in which one of the two glycosidic bonds is in a rare syn conformation while the other adopts the more common anti conformation. The structure points to a means by which c-di-GMP and PilZ binding could be coupled to FimX and PilB conformational states

La matematica fuzzy nell'ingegneria dei materiali. Applicazioni alla durevolezza e alla conservazione dei materiali in opera nei siti archeologici

La ricerca presentata è un’ampia esplorazione delle possibili applicazioni di concetti, metodi e procedure della Fuzzy Logic all’Ingegneria dei Materiali. Tale nuovo approccio è giustificato dalla inadeguatezza dei risultati conseguiti con i soli metodi tradizionali riguardo alla reologia ed alla durabilità, all’utilizzo di dati di laboratorio nella progettazione e alla necessità di usare un linguaggio (informatizzabile) che consenta una valutazione congiunta degli aspetti tecnici, culturali, economici, paesaggistici della progettazione. – In particolare, la Fuzzy Logic permette di affrontare in modo razionale l’aleatorietà delle variabili e dei dati che, nel settore specifico dei materiali in opera nel costruito dei Beni Culturali, non possono essere trattati con i metodi statistici ordinari. – La scelta di concentrare l’attenzione su materiali e strutture in opera in siti archeologici discende non solo dall’interesse culturale ed economico connesso ai sempre più numerosi interventi in questo nuovo settore di pertinenza dell’Ingegneria dei Materiali, ma anche dal fatto che, in tali contesti, i termini della rappresentatività dei campionamenti, della complessità delle interazioni tra le variabili (fisiche e non), del tempo e quindi della durabilità sono evidenti ed esasperati. – Nell’ambito di questa ricerca si è anche condotto un ampio lavoro sperimentale di laboratorio per l’acquisizione dei dati utilizzati nelle procedure di modellazione fuzzy (fuzzy modeling). In tali situazioni si è operato secondo protocolli sperimentali standard: acquisizione della composizione mineralogica tramite diffrazione di raggi X (XRD), definizione della tessitura microstrutturale con osservazioni microscopiche (OM, SEM) e porosimetria tramite intrusione forzata di mercurio (MIP), determinazioni fisiche quali la velocità di propagazione degli ultrasuoni e rotoviscosimetria, misure tecnologiche di resistenza meccanica a compressione uniassiale, lavorabilità, ecc. – Nell’elaborazione dei dati e nella modellazione in termini fuzzy, la ricerca è articolata su tre livelli: a. quello dei singoli fenomeni chimico-fisici, di natura complessa, che non hanno trovato, a tutt’oggi, una trattazione soddisfacente e di generale consenso; le applicazioni riguardano la reologia delle dispersioni ad alto tenore di solido in acqua (calci, cementi, malte, calcestruzzi SCC), la correlazione della resistenza a compressione, la gelività dei materiali porosi ed alcuni aspetti della durabilità del calcestruzzo armato; b. quello della modellazione della durabilità dei materiali alla scala del sito archeologico; le applicazioni presentate riguardano i centri di cultura nuragica di Su Monte-Sorradile, GennaMaria-Villanovaforru e Is Paras-Isili; c. quello della scelta strategica costituita dalla selezione del miglior progetto di conservazione considerando gli aspetti connessi all’Ingegneria dei Materiali congiuntamente a quelli culturali, paesaggistici ed economici; le applicazioni hanno riguardato due importanti monumenti (Anfiteatro e Terme a Mare) del sito Romano di Nora-Pula.

Strutture a pareti portanti in C. A. caratterizzate da elevate prestazioni sismiche

Per quanto riguarda le costruzioni in conglomerato cementizio armato gettato in opera, i sistemi strutturali più comunemente utilizzati sono quelli a telaio (con trasmissione di momento flettente), a setti portanti o una combinazione di entrambi. A partire dagli anni ’60, numerosissimi sono stati gli studi relativamente al comportamento sismico di strutture in c.a. a telaio. Lo stesso si può affermare per le costruzioni costituite da pareti miste a telai. In particolare, l’argomento della progettazione sismica di tali tipologie di edifici ha sempre riguardato soprattutto gli edifici alti nei quali, evidentemente, l’impiego delle pareti avveniva allo scopo di limitarne la elevata deformabilità. Il comportamento sismico di strutture realizzate interamente a pareti portanti in c.a. è stato meno studiato negli anni, nonostante si sia osservato che edifici realizzati mediante tali sistemi strutturali abbiano mostrato, in generale, pregevoli risorse di resistenza nei confronti di terremoti anche di elevata intensità. Negli ultimi 10 anni, l’ingegneria sismica si sta incentrando sull’approfondimento delle risorse di tipologie costruttive di cui si è sempre fatto largo uso in passato (tipicamente nei paesi dell’Europa continentale, in America latina, negli USA e anche in Italia), ma delle quali mancavano adeguate conoscenze scientifiche relativamente al loro comportamento in zona sismica. Tali tipologie riguardano sostanzialmente sistemi strutturali interamente costituiti da pareti portanti in c.a. per edifici di modesta altezza, usualmente utilizzati in un’edilizia caratterizzata da ridotti costi di realizzazione (fabbricati per abitazioni civili e/o uffici). Obiettivo “generale” del lavoro di ricerca qui presentato è lo studio del comportamento sismico di strutture realizzate interamente a setti portanti in c.a. e di modesta altezza (edilizia caratterizzata da ridotti costi di realizzazione). In particolare, le pareti che si intendono qui studiare sono caratterizzate da basse percentuali geometriche di armatura e sono realizzate secondo la tecnologia del cassero a perdere. A conoscenza dello scrivente, non sono mai stati realizzati, fino ad oggi, studi sperimentali ed analitici allo scopo di determinare il comportamento sismico di tali sistemi strutturali, mentre è ben noto il loro comportamento statico. In dettaglio, questo lavoro di ricerca ha il duplice scopo di: • ottenere un sistema strutturale caratterizzato da elevate prestazioni sismiche; • mettere a punto strumenti applicativi (congruenti e compatibili con le vigenti normative e dunque immediatamente utilizzabili dai progettisti) per la progettazione sismica dei pannelli portanti in c.a. oggetto del presente studio. Al fine di studiare il comportamento sismico e di individuare gli strumenti pratici per la progettazione, la ricerca è stata organizzata come segue: • identificazione delle caratteristiche delle strutture studiate, mediante lo sviluppo/specializzazione di opportune formulazioni analitiche; • progettazione, supervisione, ed interpretazione di una estesa campagna di prove sperimentali eseguita su pareti portanti in c.a. in vera grandezza, al fine di verificarne l’efficace comportamento sotto carico ciclico; • sviluppo di semplici indicazioni (regole) progettuali relativamente alle strutture a pareti in c.a. studiate, al fine di ottenere le caratteristiche prestazionali desiderate. I risultati delle prove sperimentali hanno mostrato di essere in accordo con le previsioni analitiche, a conferma della validità degli strumenti di predizione del comportamento di tali pannelli. Le elevatissime prestazioni riscontrate sia in termini di resistenza che in termini di duttilità hanno evidenziato come le strutture studiate, così messe a punto, abbiano manifestato un comportamento sismico più che soddisfacente.

Untersuchung der lateralen Organisation und Phasenumwandlung von festkörperunterstützten Lipidmembranen

Im ersten Teil der Arbeit wurde das Bindungsverhalten von Annexin A1 und Annexin A2t an festkörperunterstützte Lipidmembranen aus POPC und POPS untersucht. Für beide Proteine konnte mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie gezeigt werden, dass irreversible Bindung nur in Anwesenheit von POPS auftritt. Durch rasterkraftmikroskopische Aufnahmen konnte die laterale Organisation der Annexine auf der Lipidmembran dargestellt werden. Beide Proteine lagern sich in Form lateraler Aggregate (zweidimensionale Domänen) auf der Oberfläche an, außerdem ist der Belegungsgrad und die Größe der Domänen von der Membranzusammensetzung und der Calciumkonzentration abhängig. Mit zunehmendem POPS-Gehalt und Calciumkonzentration steigt der Belegungsgrad an und der mittlere Domänenradius wird kleiner. Diese Ergebnisse konnten in Verbindung mit detaillierten Bindungsstudien des Annexins A1 mit der Quarzmikrowaage verwendet werden, um ein Bindungsmodell auf Basis einer heterogenen Oberfläche zu entwickeln. Auf einer POPC-reichen Matrix findet reversible Adsorption statt und auf POPS-reichen Domänen irreversible Adsorption. Durch die Anpassung von dynamischen Monte Carlo-Simulationen basierend auf einer zweidimensionalen zufälligen sequentiellen Adsorption konnten Erkenntnisse über die Membranstruktur und die kinetischen Ratenkonstanten in Abhängigkeit von der Calciumkonzentration und der Inkubationszeit des Proteins gewonnen werden. Die irreversible Bindung ist in allen Calciumkonzentrationsbereichen schneller als die reversible. Außerdem zeigt die irreversible Adsorption eine deutlich stärkere Abhängigkeit von der Calciumkonzentration. Ein kleinerer Belegungsgrad bei niedrigen Ca2+-Gehalten ist hauptsächlich durch die Abnahme der verfügbaren Bindungsplätze auf der Oberfläche zu erklären. Die gute Übereinstimmung der aus den Monte Carlo-Simulationen erhaltenen Domänenstrukturen mit den rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen und die Tatsache, dass sich die simulierten Resonanzfrequenzverläufe problemlos an die experimentellen Kurven aus den QCM-Messungen anpassen ließen, zeigt die gute Anwendbarkeit des entwickelten Simulationsprogramms auf die Adsorption von Annexin A1. Die Extraktion der kinetischen Parameter aus dem zweidimensionalen RSA-Modell ist mit Sicherheit einem einfachen Langmuir-Ansatz überlegen. Bei einem Langmuir-Modell erfolgt eine integrale Erfassung einer einzelnen makroskopischen Geschwindigkeitskonstante, während durch das RSA-Modell eine differenzierte Betrachtung des reversiblen und irreversiblen Bindungsprozesses möglich ist. Zusätzlich lassen sich mikroskopische Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit gewinnen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das thermotrope Phasenverhalten von festkörperunterstützten Phospholipidbilayern untersucht. Dazu wurden mikrostrukturierte, frei stehende Membranstreifen präpariert und mit Hilfe der bildgebenden Ellipsometrie untersucht. Dadurch konnten die temperaturabhängigen Verläufe der Schichtdicke und der lateralen Membranausdehnung parallel beobachtet werden. Die ermittelten Phasenübergangstemperaturen von DMPC, diC15PC und DPPC lagen 2 - 3 °C oberhalb der Literaturwerte für vesikuläre Systeme. Außerdem wurde eine deutliche Verringerung der Kooperativität der Phasenumwandlung gefunden, was auf einen großen Einfluss des Substrats bei den festkörperunterstützten Lipidmembranen schließen lässt. Zusätzlich wurde ein nicht systematischer Zusammenhang der Ergebnisse von der Oberflächenpräparation gefunden, der es unabdingbar macht, bei Untersuchungen von festkörperunterstützten Substraten einen internen Standard einzuführen. Bei der Analyse des thermotropen Phasenübergangsverhaltens von DMPC/Cholesterol - Gemischen wurde daher die individuelle Adressierbarkeit der strukturierten Lipidmembranen ausgenutzt und ein Lipidstreifen aus reinem DMPC als Standard verwendet. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das für Phospholipide typische Phasenübergangsverhalten ab 30 mol% Cholesterol in der Membran nicht mehr vorhanden ist. Dies ist auf die Bildung einer nur durch höhere Sterole induzierten fluiden Phase mit hoch geordneten Acylketten zurückzuführen. Abschließend konnte durch die Zugabe von Ethanol zu einer mikrostrukturierten DMPC-Membran die Bildung eines interdigitierten Bilayers nachgewiesen werden. Die bildgebende Ellipsometrie ist eine sehr gute Methode zur Untersuchung festkörperunterstützter Lipidmembranen, da sie über ein sehr gutes vertikales und ein ausreichendes laterales Auflösungsvermögen besitzt. Sie ist darin zwar einem Rasterkraftmikroskop noch unterlegen, besitzt dafür aber eine einfachere Handhabung beim Umgang mit Flüssigkeiten und in der Temperierung, eine schnellere Bildgebung und ist als optische Methode nicht-invasiv.

Gli affidamenti c.d. in house nell'ordinamento comunitario e nazionale con particolare riferimento al settore dei trasporti pubblici

Il presente progetto di ricerca analizza quella particolare forma di affidamento diretto dei servizi pubblici denominata in house providing e si articola in tre sezioni. Nella prima sezione viene analizzata la disciplina dei servizi pubblici locali nell’ordinamento italiano mediante un excursus normativo dai primi del 900 ad oggi; la seconda sezione è dedicata alla disciplina dell’affidamento dei servizi pubblici locali di trasporto; la terza sezione, infine, descrive l’in house providing e l’elaborazione pretoria di tale istituto operata dalla giurisprudenza comunitaria. Come noto, la pubblica amministrazione può soddisfare le sue esigenze secondo due diverse modalità: ricorrendo al libero mercato come qualsiasi altro operatore economico oppure auto-producendo i beni e i servizi di cui necessita. Infatti, nonostante il diritto comunitario imponga il rispetto del principio di tutela della concorrenza, lascia impregiudicato il potere di auto-organizzazione in capo alle pubbliche amministrazioni negli Stati membri, le quali potranno scegliere di agire “in economia” o di ricorrere alle prestazioni di operatori terzi. Con la locuzione di derivazione comunitaria in house providing si definisce quel modello organizzativo mediante il quale le pubbliche amministrazioni realizzano le attività di loro competenza attraverso i propri organismi, cioè senza ricorrere al libero mercato per procurarsi i lavori, i servizi e le forniture ad esse occorrenti o per erogare alla collettività prestazioni di pubblico servizio, in deroga ai principi comunitari sulla tutela della concorrenza stabiliti nel Trattato istitutivo della Comunità Europea, che invece imporrebbero lo svolgimento di gare ad evidenza pubblica per l'affidamento di tali servizi. Tuttavia, come chiarito dalla giurisprudenza comunitaria e nazionale, affinché la procedura di gara non sia necessaria, occorre che tra l’amministrazione e il prestatore ci sia sostanziale identità, nonostante le distinte personalità giuridiche, in modo tale da configurare il contratto tra le stesse intercorso come un atto di organizzazione interna.

Die Verbindung von Kleinwinkelstreuung und in silico-Methodik zur Aufklärung von Konformationswechseln großer Proteinkomplexe

In dieser Dissertation wurden die Methoden Homologiemodellierung und Molekulardynamik genutzt, um die Struktur und das Verhalten von Proteinen in Lösung zu beschreiben. Mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung wurden die mit den Computermethoden erzeugten Vorhersagen verifiziert. Für das alpha-Hämolysin, ein Toxin von Staphylococcus aureus, das eine heptamere Pore formen kann, wurde erstmalig die monomere Struktur des Protein in Lösung beschrieben. Homologiemodellierung auf Basis verwandter Proteine, deren monomere Struktur bekannt war, wurde verwendet, um die monomere Struktur des Toxins vorherzusagen. Flexibilität von Strukturelementen in einer Molekulardynamiksimulation konnte mit der Funktionalität des Proteines korreliert werden: Intrinsische Flexibilität versetzt das Protein in die Lage den Konformationswechsel zur Pore nach Assemblierung zu vollziehen. Röntgenkleinwinkelstreuung bewies die Unterschiede der monomeren Struktur zu den Strukturen der verwandten Proteine und belegt den eigenen Vorschlag zur Struktur. Überdies konnten Arbeiten an einer Mutante, die in einer sogenannten Präporenkonformation arretiert und nicht in der Lage ist eine Pore zu formen, zeigen, dass dieser Übergangszustand mit der Rotationsachse senkrecht zur Membran gelagert ist. Eine geometrische Analyse beweist, dass es sterisch möglich ist ausgehend von dieser Konformation die Konformation der Pore zu erreichen. Eine energetische und kinetische Analyse dieses Konformationswechsels steht noch aus. Ein weiterer Teil der Arbeit befasst sich mit den Konformationswechseln von Hämocyaninen. Diese wurden experimentell mittels Röntgenkleinwinkelstreuung verfolgt. Konformationswechsel im Zusammenhang mit der Oxygenierung konnten für die 24meren Hämocyanine von Eurypelma californicum und Pandinus imperator beschrieben werden. Für eine Reihe von Hämocyaninen ist nachgewiesen, dass sie unter Einfluss des Agenz SDS Tyrosinaseaktivität entfalten können. Der Konformationswechsel der Hämocyanine von E. californicum und P. imperator bei der Aktivierung zur Tyrosinase mittels SDS wurde experimentell bestätigt und die Stellung der Dodekamere der Hämocyanine als wesentlich bei der Aktivierung festgestellt. Im Zusammenhang mit anderen Arbeiten gilt damit die Relaxierung der Struktur unter SDS-Einfluss und der sterische Einfluss auf die verbindenden Untereinheiten b & c als wahrscheinliche Ursache für die Aktivierung zur Tyrosinase. Eigene Software zum sogenannten rigid body-Modellierung auf der Basis von Röntgenkleinwinkelstreudaten wurde erstellt, um die Streudaten des hexameren Hämocyanins von Palinurus elephas und Palinurus argus unter Einfluss der Effektoren Urat und Koffein strukturell zu interpretieren. Die Software ist die erste Implementierung eines Monte Carlo-Algorithmus zum rigid body-Modelling. Sie beherrscht zwei Varianten des Algorithmus: In Verbindung mit simulated annealing können wahrscheinliche Konformationen ausgefiltert werden und in einer anschließenden systematischen Analyse kann eine Konformation geometrisch beschrieben werden. Andererseits ist ein weiterer, reiner Monte Carlo-Algorithmus in der Lage die Konformation als Dichteverteilung zu beschreiben.

Parallelization of the algorithm WHAM with NVIDIA CUDA.

The aim of my thesis is to parallelize the Weighting Histogram Analysis Method (WHAM), which is a popular algorithm used to calculate the Free Energy of a molucular system in Molecular Dynamics simulations. WHAM works in post processing in cooperation with another algorithm called Umbrella Sampling. Umbrella Sampling has the purpose to add a biasing in the potential energy of the system in order to force the system to sample a specific region in the configurational space. Several N independent simulations are performed in order to sample all the region of interest. Subsequently, the WHAM algorithm is used to estimate the original system energy starting from the N atomic trajectories. The parallelization of WHAM has been performed through CUDA, a language that allows to work in GPUs of NVIDIA graphic cards, which have a parallel achitecture. The parallel implementation may sensibly speed up the WHAM execution compared to previous serial CPU imlementations. However, the WHAM CPU code presents some temporal criticalities to very high numbers of interactions. The algorithm has been written in C++ and executed in UNIX systems provided with NVIDIA graphic cards. The results were satisfying obtaining an increase of performances when the model was executed on graphics cards with compute capability greater. Nonetheless, the GPUs used to test the algorithm is quite old and not designated for scientific calculations. It is likely that a further performance increase will be obtained if the algorithm would be executed in clusters of GPU at high level of computational efficiency. The thesis is organized in the following way: I will first describe the mathematical formulation of Umbrella Sampling and WHAM algorithm with their apllications in the study of ionic channels and in Molecular Docking (Chapter 1); then, I will present the CUDA architectures used to implement the model (Chapter 2); and finally, the results obtained on model systems will be presented (Chapter 3).