BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles

Los peces son animales, donde en la mayoría de los casos, son considerados como nadadores muy eficientes y con una alta capacidad de maniobra. En general los peces se caracterizan por su capacidad de maniobra, locomoción silencioso, giros y partidas rápidas y viajes de larga distancia. Los estudios han identificado varios tipos de locomoción que los peces usan para generar maniobras y natación constante. A bajas velocidades la mayoría de los peces utilizan sus aletas pares y / o impares para su locomoción, que ofrecen una mayor maniobrabilidad y mejor eficiencia de propulsión. A altas velocidades la locomoción implica el cuerpo y / o aleta caudal porque esto puede lograr un mayor empuje y aceleración. Estas características pueden inspirar el diseo y fabricación de una piel muy flexible, una aleta caudal mórfica y una espina dorsal no articulada con una gran capacidad de maniobra. Esta tesis presenta el desarrollo de un novedoso pez robot bio-inspirado y biomimético llamado BR3, inspirado en la capacidad de maniobra y nado constante de los peces vertebrados. Inspirado por la morfología de los peces Micropterus salmoides o también conocido como lubina negra, el robot BR3 utiliza su fundamento biológico para desarrollar modelos y métodos matemáticos precisos que permiten imitar la locomoción de los peces reales. Los peces Largemouth Bass pueden lograr un nivel increíble de maniobrabilidad y eficacia de la propulsión mediante la combinación de los movimientos ondulatorios y aletas morficas. Para imitar la locomoción de los peces reales en una contraparte artificial se necesita del análisis de tecnologías de actuación alternativos, como arreglos de fibras musculares en lugar de servo actuadores o motores DC estándar, así como un material flexible que proporciona una estructura continua sin juntas. Las aleaciones con memoria de forma (SMAs) proveen la posibilidad de construir robots livianos, que no emiten ruido, sin motores, sin juntas y sin engranajes. Asi es como un pez robot submarino se ha desarrollado y cuyos movimientos son generados mediante SMAs. Estos actuadores son los adecuados para doblar la espina dorsal continua del pez robot, que a su vez provoca un cambio en la curvatura del cuerpo. Este tipo de arreglo estructural está inspirado en los músculos rojos del pescado, que son usados principalmente durante la natación constante para la flexión de una estructura flexible pero casi incompresible como lo es la espina dorsal de pescado. Del mismo modo la aleta caudal se basa en SMAs y se modifica para llevar a cabo el trabajo necesario. La estructura flexible proporciona empuje y permite que el BR3 nade. Por otro lado la aleta caudal mórfica proporciona movimientos de balanceo y guiada. Motivado por la versatilidad del BR3 para imitar todos los modos de natación (anguilliforme, carangiforme, subcarangiforme y tunniforme) se propone un controlador de doblado y velocidad. La ley de control de doblado y velocidad incorpora la información del ángulo de curvatura y de la frecuencia para producir el modo de natación deseado y a su vez controlar la velocidad de natación. Así mismo de acuerdo con el hecho biológico de la influencia de la forma de la aleta caudal en la maniobrabilidad durante la natación constante se propone un control de actitud. Esta novedoso robot pescado es el primero de su tipo en incorporar sólo SMAs para doblar una estructura flexible continua y sin juntas y engranajes para producir empuje e imitar todos los modos de natación, así como la aleta caudal que es capaz de cambiar su forma. Este novedoso diseo mecatrónico presenta un futuro muy prometedor para el diseo de vehículos submarinos capaces de modificar su forma y nadar mas eficientemente. La nueva metodología de control propuesto en esta tesis proporcionan una forma totalmente nueva de control de robots basados en SMAs, haciéndolos energéticamente más eficientes y la incorporación de una aleta caudal mórfica permite realizar maniobras más eficientemente. En su conjunto, el proyecto BR3 consta de cinco grandes etapas de desarrollo: • Estudio y análisis biológico del nado de los peces con el propósito de definir criterios de diseño y control. • Formulación de modelos matemáticos que describan la: i) cinemática del cuerpo, ii) dinámica, iii) hidrodinámica iv) análisis de los modos de vibración y v) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular la aleta caudal y el doblado del cuerpo en la producción de fuerzas de empuje y fuerzas de rotación necesarias en las maniobras y optimización del consumo de energía. • Diseño y fabricación de BR3: i) estructura esquelética de la columna vertebral y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación basado en SMAs para el cuerpo y la aleta caudal, iii) piel artificial, iv) electrónica embebida y v) fusión sensorial. Está dirigido a desarrollar la plataforma de pez robot BR3 que permite probar los métodos propuestos. • Controlador de nado: compuesto por: i) control de las SMA (modulación de la forma de la aleta caudal y regulación de la actitud) y ii) control de nado continuo (modulación de la velocidad y doblado). Está dirigido a la formulación de los métodos de control adecuados que permiten la modulación adecuada de la aleta caudal y el cuerpo del BR3. • Experimentos: está dirigido a la cuantificación de los efectos de: i) la correcta modulación de la aleta caudal en la producción de rotación y su efecto hidrodinámico durante la maniobra, ii) doblado del cuerpo para la producción de empuje y iii) efecto de la flexibilidad de la piel en la habilidad para doblarse del BR3. También tiene como objetivo demostrar y validar la hipótesis de mejora en la eficiencia de la natación y las maniobras gracias a los nuevos métodos de control presentados en esta tesis. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos en canales de agua estarán orientados a discutir y demostrar cómo la aleta caudal y el cuerpo pueden afectar considerablemente la dinámica / hidrodinámica de natación / maniobras y cómo tomar ventaja de la modulación de curvatura que la aleta caudal mórfica y el cuerpo permiten para cambiar correctamente la geometría de la aleta caudal y del cuerpo durante la natación constante y maniobras. ABSTRACT Fishes are animals where in most cases are considered as highly manoeuvrable and effortless swimmers. In general fishes are characterized for his manoeuvring skills, noiseless locomotion, rapid turning, fast starting and long distance cruising. Studies have identified several types of locomotion that fish use to generate maneuvering and steady swimming. At low speeds most fishes uses median and/or paired fins for its locomotion, offering greater maneuverability and better propulsive efficiency At high speeds the locomotion involves the body and/or caudal fin because this can achieve greater thrust and accelerations. This can inspire the design and fabrication of a highly deformable soft artificial skins, morphing caudal fins and non articulated backbone with a significant maneuverability capacity. This thesis presents the development of a novel bio-inspired and biomimetic fishlike robot (BR3) inspired by the maneuverability and steady swimming ability of ray-finned fishes (Actinopterygii, bony fishes). Inspired by the morphology of the Largemouth Bass fish, the BR3 uses its biological foundation to develop accurate mathematical models and methods allowing to mimic fish locomotion. The Largemouth Bass fishes can achieve an amazing level of maneuverability and propulsive efficiency by combining undulatory movements and morphing fins. To mimic the locomotion of the real fishes on an artificial counterpart needs the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators as well as a bendable material that provides a continuous structure without joins. The Shape Memory Alloys (SMAs) provide the possibility of building lightweight, joint-less, noise-less, motor-less and gear-less robots. Thus a swimming underwater fish-like robot has been developed whose movements are generated using SMAs. These actuators are suitable for bending the continuous backbone of the fish, which in turn causes a change in the curvature of the body. This type of structural arrangement is inspired by fish red muscles, which are mainly recruited during steady swimming for the bending of a flexible but nearly incompressible structure such as the fishbone. Likewise the caudal fin is based on SMAs and is customized to provide the necessary work out. The bendable structure provides thrust and allows the BR3 to swim. On the other hand the morphing caudal fin provides roll and yaw movements. Motivated by the versatility of the BR3 to mimic all the swimming modes (anguilliform, caranguiform, subcaranguiform and thunniform) a bending-speed controller is proposed. The bending-speed control law incorporates bend angle and frequency information to produce desired swimming mode and swimming speed. Likewise according to the biological fact about the influence of caudal fin shape in the maneuverability during steady swimming an attitude control is proposed. This novel fish robot is the first of its kind to incorporate only SMAs to bend a flexible continuous structure without joints and gears to produce thrust and mimic all the swimming modes as well as the caudal fin to be morphing. This novel mechatronic design is a promising way to design more efficient swimming/morphing underwater vehicles. The novel control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling robots based on SMAs, making them more energy efficient and the incorporation of a morphing caudal fin allows to perform more efficient maneuvers. As a whole, the BR3 project consists of five major stages of development: • Study and analysis of biological fish swimming data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. • Formulation of mathematical models for: i) body kinematics, ii) dynamics, iii) hydrodynamics, iv) free vibration analysis and v) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modelling the e ects of modulating caudal fin and body bend into the production of thrust forces for swimming, rotational forces for maneuvering and energy consumption optimisation. • Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of backbone and body, ii) SMA muscle-like mechanisms for the body and caudal fin, iii) the artificial skin, iv) electronics onboard and v) sensor fusion. It is aimed at developing the fish-like platform (BR3) that allows for testing the methods proposed. • The swimming controller: i) control of SMA-muscles (morphing-caudal fin modulation and attitude regulation) and ii) steady swimming control (bend modulation and speed modulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BR3’s caudal fin and body. • Experiments: it is aimed at quantifying the effects of: i) properly caudal fin modulation into hydrodynamics and rotation production for maneuvering, ii) body bending into thrust generation and iii) skin flexibility into BR3 bending ability. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving swimming and maneuvering efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Waterchannel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the caudal fin and body can considerably affect the dynamics/hydrodynamics of swimming/maneuvering and how to take advantage of bend modulation that the morphing-caudal fin and body enable to properly change caudal fin and body’ geometry during steady swimming and maneuvering.

AVALIAÇÃO COMPARATIVA ENTRE AGRADABILIDADE FACIAL, PROPORÇÃO ÁUREA E PADRÃO FACIAL

O propósito desta pesquisa foi estudar algumas análises faciais utilizadas para diagnóstico ortodôntico e verificar a concordância entre norma lateral e frontal na avaliação da agradabilidade facial para os grupos leigos e profissionais, a concordância entre estes grupos na avaliação da agradabilidade facial nas normas lateral e frontal, bem como verificar a associação entre agradabilidade facial e Proporção Áurea, agradabilidade facial e Padrão Facial e entre Padrão Facial e Proporção Áurea. Utilizou-se 208 fotografias faciais padronizadas (104 laterais e 104 frontais) de 104 indivíduos escolhidos aleatoriamente, que primeiramente foram classificadas em agradável , aceitável e desagradável por dois grupos distintos: grupo Ortodontia e grupo Leigos . As fotografias laterais e frontais foram submetidas a medidas de Proporção Áurea Facial por meio de programa computadorizado e os indivíduos foram classificados quanto ao Padrão Facial pelo seu aspecto lateral. Após análise estatística, verificou-se que não houve concordância entre as variáveis da avaliação de agradabilidade estudadas, bem como não houve associação entre Proporção Áurea com agradabilidade facial ou com Padrão Facial. Entre agradabilidade facial e Padrão Facial, observou-se para a norma lateral associação fortemente positiva, porém para a frontal não houve associação para ambos os grupos de avaliadores.

AVALIAÇÃO COMPARATIVA ENTRE AGRADABILIDADE FACIAL, PROPORÇÃO ÁUREA E PADRÃO FACIAL

O propósito desta pesquisa foi estudar algumas análises faciais utilizadas para diagnóstico ortodôntico e verificar a concordância entre norma lateral e frontal na avaliação da agradabilidade facial para os grupos leigos e profissionais, a concordância entre estes grupos na avaliação da agradabilidade facial nas normas lateral e frontal, bem como verificar a associação entre agradabilidade facial e Proporção Áurea, agradabilidade facial e Padrão Facial e entre Padrão Facial e Proporção Áurea. Utilizou-se 208 fotografias faciais padronizadas (104 laterais e 104 frontais) de 104 indivíduos escolhidos aleatoriamente, que primeiramente foram classificadas em agradável , aceitável e desagradável por dois grupos distintos: grupo Ortodontia e grupo Leigos . As fotografias laterais e frontais foram submetidas a medidas de Proporção Áurea Facial por meio de programa computadorizado e os indivíduos foram classificados quanto ao Padrão Facial pelo seu aspecto lateral. Após análise estatística, verificou-se que não houve concordância entre as variáveis da avaliação de agradabilidade estudadas, bem como não houve associação entre Proporção Áurea com agradabilidade facial ou com Padrão Facial. Entre agradabilidade facial e Padrão Facial, observou-se para a norma lateral associação fortemente positiva, porém para a frontal não houve associação para ambos os grupos de avaliadores.

AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO TIPO FACIAL NOS TAMANHOS DOS ESPAÇOS AÉREOS NASO E BUCOFARÍNGE

A variação nos tamanhos dos espaços aéreos naso e bucofaríngeo ocorre devido a fatores genéticos e/ou ambientais. A diminuição no tamanho do espaço aéreo nasofaríngeo, causada pela hipertrofia da tonsila faríngea, tem sido associada a alterações no padrão normal de crescimento craniofacial e a efeitos deletérios na oclusão. O objetivo do presente trabalho é avaliar se há variação nos tamanhos dos espaços aéreos naso e bucofaríngeo de acordo com o padrão de crescimento craniofacial, assim como avaliar a correlação entre os tamanhos dos espaços e o índice VERT, além de verificar um possível dimorfismo sexual. Na mensuração dos espaços, utilizou-se telerradiografias laterais de 90 pacientes, divididos em três grupos de acordo com o padrão de crescimento craniofacial, determinado por meio do índice VERT de Ricketts. Os pacientes da amostra, com idades entre 9 e 16 anos, apresentavam padrão respiratório nasal, sem qualquer tipo de obstrução. Não foi observada variação estatisticamente significante nos tamanhos dos espaços aéreos naso e bucofaríngeo, quando comparados os três tipos faciais. Também não foi encontrada correlação entre os tamanhos dos espaços aéreos e os valores do índice VERT de Ricketts dos pacientes e não foi observado dimorfismo sexual. XII

AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO TIPO FACIAL NOS TAMANHOS DOS ESPAÇOS AÉREOS NASO E BUCOFARÍNGE

A variação nos tamanhos dos espaços aéreos naso e bucofaríngeo ocorre devido a fatores genéticos e/ou ambientais. A diminuição no tamanho do espaço aéreo nasofaríngeo, causada pela hipertrofia da tonsila faríngea, tem sido associada a alterações no padrão normal de crescimento craniofacial e a efeitos deletérios na oclusão. O objetivo do presente trabalho é avaliar se há variação nos tamanhos dos espaços aéreos naso e bucofaríngeo de acordo com o padrão de crescimento craniofacial, assim como avaliar a correlação entre os tamanhos dos espaços e o índice VERT, além de verificar um possível dimorfismo sexual. Na mensuração dos espaços, utilizou-se telerradiografias laterais de 90 pacientes, divididos em três grupos de acordo com o padrão de crescimento craniofacial, determinado por meio do índice VERT de Ricketts. Os pacientes da amostra, com idades entre 9 e 16 anos, apresentavam padrão respiratório nasal, sem qualquer tipo de obstrução. Não foi observada variação estatisticamente significante nos tamanhos dos espaços aéreos naso e bucofaríngeo, quando comparados os três tipos faciais. Também não foi encontrada correlação entre os tamanhos dos espaços aéreos e os valores do índice VERT de Ricketts dos pacientes e não foi observado dimorfismo sexual. XII

Avaliação radiográfica da precisão do registro do arco facial em planejamentos ortodôntico-cirúrgicos

O presente trabalho avaliou a precisão do registro do arco facial. Foram selecionados 17 indivíduos com padrão facial tipo II e com idade entre 15 e 46 anos, sendo três do sexo masculino e 14 do sexo feminino. O estudo comparou medidas obtidas a partir de cefalogramas com base em telerradiografias em norma lateral, e de modelos de gesso da arcada dentária superior montados num articulador semi-ajustável. Essas grandezas foram estabelecidas a partir de pontos cefalométricos consagrados, e por novos pontos que tiveram como referências botões ortodônticos colados nos dentes incisivos central superior esquerdo e primeiro molar superior esquerdo, e marcadores metálicos adaptados no alinhamento do arco facial posicionado na face dos pacientes.(AU)

Avaliação radiográfica da precisão do registro do arco facial em planejamentos ortodôntico-cirúrgicos

O presente trabalho avaliou a precisão do registro do arco facial. Foram selecionados 17 indivíduos com padrão facial tipo II e com idade entre 15 e 46 anos, sendo três do sexo masculino e 14 do sexo feminino. O estudo comparou medidas obtidas a partir de cefalogramas com base em telerradiografias em norma lateral, e de modelos de gesso da arcada dentária superior montados num articulador semi-ajustável. Essas grandezas foram estabelecidas a partir de pontos cefalométricos consagrados, e por novos pontos que tiveram como referências botões ortodônticos colados nos dentes incisivos central superior esquerdo e primeiro molar superior esquerdo, e marcadores metálicos adaptados no alinhamento do arco facial posicionado na face dos pacientes.(AU)

AVALIAÇÃO DAS ALTERAÇÕES DENTÁRIAS E DO PERFIL FACIAL OBTIDAS NO TRATAMENTO ORTODÔNTICO COM BRAQUETES AUTOLIGADOS

Este trabalho teve como objetivo principal avaliar as inclinações dentárias e o perfil facial de pacientes tratados ortodonticamente com braquete autoligado Damon 2, prescrição padrão. Para este estudo, foi selecionada uma amostra de 18 indivíduos, sendo 12 do sexo masculino e 6 do feminino, com idades que variaram de 12 a 20 anos (idade média de 15 anos) e que apresentavam discrepância de modelo negativa (de 4 mm a 15 mm). Como critério de inclusão, os pacientes deveriam apresentar dentição permanente completa até os segundos molares, má oclusão de Classe I de Angle, telerradiografias em norma lateral do início e final do tratamento ortodôntico e modelos de estudo em gesso dos arcos dentários superiores e inferiores do início e final do tratamento ortodôntico. As medições das inclinações ântero-posteriores dos incisivos centrais superiores e incisivos centrais inferiores e alterações do perfil facial foram realizadas por meio das telerradiografias em norma lateral. As distâncias transversais das regiões de cúspide e cervical inter-caninos, primeiros e segundos pré-molares e primeiros molares, foram obtidas medindo-se os modelos de gesso. Todas as mensurações foram realizadas nas telerradiografias e modelos de gesso obtidos antes do início do tratamento ortodôntico (T1) e no final do tratamento (T2). Após a coleta de todos os dados aplicou-se o teste t de Student para comparar as medidas dos dois tempos avaliados neste estudo. Verificou-se diferença estatisticamente significante (p<0,05) na inclinação dos incisivos centrais inferiores e nas dimensões transversais inter-cúspides e inter-cervicais dos primeiros e segundos pré-molares e primeiros molares na maxila. Na mandíbula todas as distâncias transversais (inter cúspides e cervicais) de caninos, primeiros e segundos pré-molares e primeiros molares apresentaram significância estatística (p<0,05), exceto a distância inter-cervical dos caninos inferiores. Concluímos que o tratamento ortodôntico sem extrações de pacientes com má oclusão de Classe I realizados com os braquetes Damon 2, prescrição padrão, não promoveu alteração na inclinação vestíbulo-lingual dos incisivos centrais superiores, aumentou a inclinação vestibular dos incisivos centrais inferiores, não alterou o perfil facial e aumentou de modo significativo a dimensão transversal da maxila e da mandíbula por meio de inclinação vestibular de coroa.(AU)

AVALIAÇÃO DAS ALTERAÇÕES DENTÁRIAS E DO PERFIL FACIAL OBTIDAS NO TRATAMENTO ORTODÔNTICO COM BRAQUETES AUTOLIGADOS

Este trabalho teve como objetivo principal avaliar as inclinações dentárias e o perfil facial de pacientes tratados ortodonticamente com braquete autoligado Damon 2, prescrição padrão. Para este estudo, foi selecionada uma amostra de 18 indivíduos, sendo 12 do sexo masculino e 6 do feminino, com idades que variaram de 12 a 20 anos (idade média de 15 anos) e que apresentavam discrepância de modelo negativa (de 4 mm a 15 mm). Como critério de inclusão, os pacientes deveriam apresentar dentição permanente completa até os segundos molares, má oclusão de Classe I de Angle, telerradiografias em norma lateral do início e final do tratamento ortodôntico e modelos de estudo em gesso dos arcos dentários superiores e inferiores do início e final do tratamento ortodôntico. As medições das inclinações ântero-posteriores dos incisivos centrais superiores e incisivos centrais inferiores e alterações do perfil facial foram realizadas por meio das telerradiografias em norma lateral. As distâncias transversais das regiões de cúspide e cervical inter-caninos, primeiros e segundos pré-molares e primeiros molares, foram obtidas medindo-se os modelos de gesso. Todas as mensurações foram realizadas nas telerradiografias e modelos de gesso obtidos antes do início do tratamento ortodôntico (T1) e no final do tratamento (T2). Após a coleta de todos os dados aplicou-se o teste t de Student para comparar as medidas dos dois tempos avaliados neste estudo. Verificou-se diferença estatisticamente significante (p<0,05) na inclinação dos incisivos centrais inferiores e nas dimensões transversais inter-cúspides e inter-cervicais dos primeiros e segundos pré-molares e primeiros molares na maxila. Na mandíbula todas as distâncias transversais (inter cúspides e cervicais) de caninos, primeiros e segundos pré-molares e primeiros molares apresentaram significância estatística (p<0,05), exceto a distância inter-cervical dos caninos inferiores. Concluímos que o tratamento ortodôntico sem extrações de pacientes com má oclusão de Classe I realizados com os braquetes Damon 2, prescrição padrão, não promoveu alteração na inclinação vestíbulo-lingual dos incisivos centrais superiores, aumentou a inclinação vestibular dos incisivos centrais inferiores, não alterou o perfil facial e aumentou de modo significativo a dimensão transversal da maxila e da mandíbula por meio de inclinação vestibular de coroa.(AU)

AVALIAÇÃO COMPARATIVA DA AGRADABILIDADE FACIAL DE PACIENTES COM MÁ-OCLUSÃO DE CLASSE II TRATADOS COM COMPENSAÇÃO DENTÁRIA OU CIRURGIA ORTOGNÁTICA

O objetivo deste estudo foi avaliar, por meio de fotografias em norma frontal e lateral, a agradabilidade facial obtida com o tratamento de pacientes portadores de má oclusão de classe II. Foram selecionados dois grupos de pacientes que receberam abordagens diferentes de tratamento, um submetido à cirurgia ortognática e o outro à compensação dentária. As fotografias em norma lateral e frontal obtidas ao início e final do tratamento foram distribuídas aleatoriamente e dispostas em apresentação de multimídia para serem submetidas à avaliação subjetiva de indivíduos leigos e ortodontistas, em uma escala linear crescente. Os resultados foram avaliados comparativamente entre os grupos leigos e ortodontistas, entre os estágios inicial e final do tratamento e entre os grupos tratados com a abordagem cirúrgica e compensatória, com o intuito de estabelecer qual das duas abordagens oferece maior agradabilidade facial. Concluímos que houve proximidade entre as avaliações de leigos e ortodontistas quanto à agradabilidade facial, sendo os leigos mais críticos. Tanto leigos quanto ortodontistas deram escores significativamente maiores para as fotos pós-tratamento nos casos compensatórios e cirúrgicos; os casos cirúrgicos em norma lateral obtiveram os resultados melhores.

Rates of ubiquitin conjugation increase when muscles atrophy, largely through activation of the N-end rule pathway

The rapid loss of muscle mass that accompanies many disease states, such as cancer or sepsis, is primarily a result of increased protein breakdown in muscle, and several observations have suggested an activation of the ubiquitin–proteasome system. Accordingly, in extracts of atrophying muscles from tumor-bearing or septic rats, rates of 125I-ubiquitin conjugation to endogenous proteins were found to be higher than in control extracts. On the other hand, in extracts of muscles from hypothyroid rats, where overall proteolysis is reduced below normal, the conjugation of 125I-ubiquitin to soluble proteins decreased by 50%, and treatment with triiodothyronine (T3) restored ubiquitination to control levels. Surprisingly, the N-end rule pathway, which selectively degrades proteins with basic or large hydrophobic N-terminal residues, was found to be responsible for most of these changes in ubiquitin conjugation. Competitive inhibitors of this pathway that specifically block the ubiquitin ligase, E3α, suppressed most of the increased ubiquitin conjugation in the muscle extracts from tumor-bearing and septic rats. These inhibitors also suppressed ubiquitination in normal extracts toward levels in hypothyroid extracts, which showed little E3α-dependent ubiquitination. Thus, the inhibitors eliminated most of the differences in ubiquitination under these different pathological conditions. Moreover, 125I-lysozyme, a model N-end rule substrate, was ubiquitinated more rapidly in extracts from tumor-bearing and septic rats, and more slowly in those from hypothyroid rats, than in controls. Thus, the rate of ubiquitin conjugation increases in atrophying muscles, and these hormone- and cytokine-dependent responses are in large part due to activation of the N-end rule pathway.

The whistle and the rattle: the design of sound producing muscles.

Vertebrate sound producing muscles often operate at frequencies exceeding 100 Hz, making them the fastest vertebrate muscles. Like other vertebrate muscle, these sonic muscles are "synchronous," necessitating that calcium be released and resequestered by the sarcoplasmic reticulum during each contraction cycle. Thus to operate at such high frequencies, vertebrate sonic muscles require extreme adaptations. We have found that to generate the "boatwhistle" mating call (approximately 200 Hz), the swimbladder muscle fibers of toadfish have evolved (i) a large and very fast calcium transient, (ii) a fast crossbridge detachment rate, and (iii) probably a fast kinetic off-rate of Ca2+ from troponin. The fibers of the shaker muscle of rattlesnakes have independently evolved similar traits, permitting tail rattling at approximately 90 Hz.

Functional protection of dystrophic mouse (mdx) muscles after adenovirus-mediated transfer of a dystrophin minigene.

Fast skeletal muscles of mdx (X chromosome-linked muscular dystrophy) mice were injected after birth with a recombinant adenovirus containing a minidys- trophin gene, a 6.3-kbp cDNA coding for the N- and C-terminal ends of dystrophin. Adult muscles were challenged by forced lengthening during tetanic contractions. Stretch-induced mechanical and histological damages were much reduced in injected muscles, in direct proportion of the Miniber of fibers expressing minidystrophin. Damaged fibers were preferentially found among minidystrophin-negative regions. Minidystrostrophin confers an important functional and structural protection of limb muscles against high mechanical stress, even after a partial somatic gene transfer.