Conformational trapping in a membrane environment: a regulatory mechanism for protein activity?

Functional regulation of proteins is central to living organisms. Here it is shown that a nonfunctional conformational state of a polypeptide can be kinetically trapped in a lipid bilayer environment. This state is a metastable structure that is stable for weeks just above the phase transition temperature of the lipid. When the samples are incubated for several days at 68 degrees C, 50% of the trapped conformation converts to the minimum-energy functional state. This result suggests the possibility that another mechanism for functional regulation of protein activity may be available for membrane proteins: that cells may insert proteins into membranes in inactive states pending the biological demand for protein function.

Regulation of the cyclin E gene by transcription factor E2F1.

A variety of results point to the transcription factor E2F as a critical determinant of the G1/S-phase transition during the cell cycle in mammalian cells, serving to activate the transcription of a group of genes that encode proteins necessary for DNA replication. In addition, E2F activity appears to be directly regulated by the action of retinoblastoma protein (RB) and RB-related proteins and indirectly regulated through the action of G1 cyclins and associated kinases. We now show that the accumulation of G1 cyclins is regulated by E2F1. E2F binding sites are found in both the cyclin E and cyclin D1 promoters, both promoters are activated by E2F gene products, and at least for cyclin E, the E2F sites contribute to cell cycle-dependent control. Most important, the endogenous cyclin E gene is activated following expression of the E2F1 product encoded by a recombinant adenovirus vector. These results suggest the involvement of E2F1 and cyclin E in an autoregulatory loop that governs the accumulation of critical activities affecting the progression of cells through G1.

Role of phospholipids containing docosahexaenoyl chains in modulating the activity of protein kinase C.

It is known that the phospholipids of the brain cells of fish are altered during cold adaptation. In particular, the 1-monounsaturated 2-polyunsaturated phosphatidylethanolamines (PEs) increase 2- to 3-fold upon adaptation to cold. One of the most striking changes is in the 18:1/22:6 species of PE. We determined how this lipid affected the bilayer-to-hexagonal-phase transition temperature of 16:1/16:1 PE. We found that it was more effective in lowering this transition temperature than were other, less unsaturated, PE species. In addition, it was not simply the presence of the 18:1/22:6 acyl chains which caused this effect, since the 18:1/22:6 species of phosphatidylcholine had the opposite effect on this transition temperature. Zwitterionic substances that lower the bilayer-to-hexagonal-phase transition temperature often cause an increase in the activity of protein kinase C (PKC). Indeed, the 18:1/22:6 PE caused an increase in the rate of histone phosphorylation by PKC which was greater than that caused by other, less unsaturated, PEs. The 18:1/22:6 phosphatidylcholine had no effect on this enzyme. The stimulation of the activity of PKC by the 18:1/22:6 PE is a consequence of this lipid's increasing the partitioning of PKC to the membrane.

Estudo e desenvolvimento de lipossomas com potencial para aplicação em base cosmética

A acne vulgar é uma das doenças cutâneas mais comuns, apresentando como um de seus fatores fisiopatológicos primários a colonização pelo microrganismo Propionibacterium acnes. Atualmente, têm-se buscado terapias alternativas para o combate ao P. acnes, destacando-se alguns ácidos graxos, como o ácido laúrico (LA). O LA é uma molécula pouco solúvel em água, sendo possível sua incorporação em lipossomas. Os lipossomas apresentam capacidade de encapsulação/ liberação de ativos e impedem a desidratação da pele, tornando-se ingredientes inovadores na área de cosméticos. Foram preparados lipossomas de dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) contendo diferentes concentrações de LA, que variaram de 0 a 50% da concentração total em mol, em quatro pHs: 9,0, 7,4, 5,0 e 3,0. Nestes pHs o estado de protonação do LA muda variando de 0 a -1. Os lipossomas foram extrusados por filtros com poros de 100 nm de diâmetro visando à obtenção de vesículas unilamelares grandes (LUV). As LUV foram caracterizadas quanto a sua estabilidade em condições de prateleira, temperatura de transição de fase da bicamada, encapsulamento no interior aquoso, liberação do LA, difusão das vesículas na pele e seus aspectos morfológicos foram caracterizados por espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS) e crio-microscopia eletrônica de transmissão. Estudos de estabilidade mostraram que independentemente da concentração de LA, as formulações são mais estáveis em pHs mais altos, quando LA está em sua maioria na forma de laurato. Os experimentos de DSC revelaram que em pHs 3,0 e 5,0 e concentrações maiores de LA, a interação deste ácido graxo com as bicamadas é favorecida, havendo um aumento da temperatura de transição de fase (Tm) e diminuição da cooperatividade. Análises de taxa de incorporação de sondas hidrofílicas confirmaram a presença de um compartimento aquoso interno para as vesículas de DPPC:LA. O LA conseguiu permear a pele no período avaliado e pouco LA foi liberado das vesículas em condições de temperatura ambiente. A morfologia das LUV se mostrou bem diferente da esperada e se observaram vesículas com mais de uma bicamada e outros formatos que não o esférico. Estes resultados podem auxiliar na otimização das condições para uma formulação que poderá ser usada no tratamento da acne, aumentando a eficácia do LA no sítio alvo.

Critical behavior of the dilute antiferromagnet in a magnetic field

We study the critical behavior of the diluted antiferromagnet in a field with the tethered Monte Carlo formalism. We compute the critical exponents (including the elusive hyperscaling violations exponent θ). Our results provide a comprehensive description of the phase transition and clarify the inconsistencies between previous experimental and theoretical work. To do so, our method addresses the usual problems of numerical work (large tunneling barriers and self-averaging violations).

Static versus dynamic heterogeneities in the D=3 Edwards-Anderson-ising spin glass

We numerically study the aging properties of the dynamical heterogeneities in the Ising spin glass. We find that a phase transition takes place during the aging process. Statics-dynamics correspondence implies that systems of finite size in equilibrium have static heterogeneities that obey finite-size scaling, thus signaling an analogous phase transition in the thermodynamical limit. We compute the critical exponents and the transition point in the equilibrium setting, and use them to show that aging in dynamic heterogeneities can be described by a finite-time scaling ansatz, with potential implications for experimental work.

Critical behavior of three-dimensional disordered Potts models with many states

We study the 3D Disordered Potts Model with p = 5 and p = 6. Our numerical simulations (that severely slow down for increasing p) detect a very clear spin glass phase transition. We evaluate the critical exponents and the critical value of the temperature, and we use known results at lower p values to discuss how they evolve for increasing p. We do not find any sign of the presence of a transition to a ferromagnetic regime.

Condensados de Bose-Einstein em redes óticas: a transição superfluido-isolante de Mott em redes hexagonais e a classe de universalidade superfluido-vidro de Bose em 3D

Estudamos transições de fases quânticas em gases bosônicos ultrafrios aprisionados em redes óticas. A física desses sistemas é capturada por um modelo do tipo Bose-Hubbard que, no caso de um sistema sem desordem, em que os átomos têm interação de curto alcance e o tunelamento é apenas entre sítios primeiros vizinhos, prevê a transição de fases quântica superfluido-isolante de Mott (SF-MI) quando a profundidade do potencial da rede ótica é variado. Num primeiro estudo, verificamos como o diagrama de fases dessa transição muda quando passamos de uma rede quadrada para uma hexagonal. Num segundo, investigamos como a desordem modifica essa transição. No estudo com rede hexagonal, apresentamos o diagrama de fases da transição SF-MI e uma estimativa para o ponto crítico do primeiro lobo de Mott. Esses resultados foram obtidos usando o algoritmo de Monte Carlo quântico denominado Worm. Comparamos nossos resultados com os obtidos a partir de uma aproximação de campo médio e com os de um sistema com uma rede ótica quadrada. Ao introduzir desordem no sistema, uma nova fase emerge no diagrama de fases do estado fundamental intermediando a fase superfluida e a isolante de Mott. Essa nova fase é conhecida como vidro de Bose (BG) e a transição de fases quântica SF-BG que ocorre nesse sistema gerou muitas controvérsias desde seus primeiros estudos iniciados no fim dos anos 80. Apesar dos avanços em direção ao entendimento completo desta transição, a caracterização básica das suas propriedades críticas ainda é debatida. O que motivou nosso estudo, foi a publicação de resultados experimentais e numéricos em sistemas tridimensionais [Yu et al. Nature 489, 379 (2012), Yu et al. PRB 86, 134421 (2012)] que violam a lei de escala $\\phi= u z$, em que $\\phi$ é o expoente da temperatura crítica, $z$ é o expoente crítico dinâmico e $ u$ é o expoente do comprimento de correlação. Abordamos essa controvérsia numericamente fazendo uma análise de escalonamento finito usando o algoritmo Worm nas suas versões quântica e clássica. Nossos resultados demonstram que trabalhos anteriores sobre a dependência da temperatura de transição superfluido-líquido normal com o potencial químico (ou campo magnético, em sistemas de spin), $T_c \\propto (\\mu-\\mu_c)^\\phi$, estavam equivocados na interpretação de um comportamento transiente na aproximação da região crítica genuína. Quando os parâmetros do modelo são modificados de maneira a ampliar a região crítica quântica, simulações com ambos os modelos clássico e quântico revelam que a lei de escala $\\phi= u z$ [com $\\phi=2.7(2)$, $z=3$ e $ u = 0.88(5)$] é válida. Também estimamos o expoente crítico do parâmetro de ordem, encontrando $\\beta=1.5(2)$.

Efeito do macrodipolo sobre a estabilidade térmica de derivados de 1,3,5-tricarboxamida-ciclo-hexano

1,3,5-tricarboxamida-ciclo-hexano são compostos capazes de se autoagregarem formando colunas supramoleculares as quais se mantêm unidas não só devido às interações das cadeias laterais mas também devido às ligações de hidrogênio de cada um dos três grupos amida por monômero. Cada monômero possui momento de dipolo elétrico associado aos grupos amida. Quando as amidas dos vários monômeros dentro da mesma coluna estão apontadas para a mesma direção, os momentos de dipolo individuais de todas as amidas se somam formando elevado dipolo ao longo do eixo da coluna, chamado de macrodipolo, o qual influencia as interações intercolunares. Neste trabalho foram investigadas quatro conformações as quais diferem entre si em relação à orientação dos grupos carbonila: a conformação Up-Up contém grupos carbonilas paralelos dentro das colunas e colunas paralela, a conformação Up-Down possui grupos carbonilas paralelos dentro das colunas e colunas antiparalelas, a conformação Intra-Up-Up contém grupos carbonilas antiparalelos dentro das colunas e colunas paralelas e a conformação Intra-Up-Down possui grupos carbonilas antiparalelos dentro das colunas e colunas antiparalelas. Foi usado Dinâmica Molecular Clássica para investigar o efeito das interações macrodipolo-macrodipolo das quatro diferentes conformações sobre a estabilidade térmica de três diferentes compostos derivados de 1,3,5-tricarboxamida-ciclo-hexano. Foi verificado que as conformações com colunas antiparalelas tendem a ser ligeiramente mais estáveis do que as conformações com orientação paralela. O efeito da orientação dos grupos carbonila dentro das colunas sob a estabilidade do material está relacionado a vários fatores, tais como cargas atômicas parciais, arranjo colunar ou natureza das cadeias laterais, e os resultados não são tão diretos como quando se compara as orientações entre colunas. Outro tópico investigado foi o comportamento do material durante a transição da fase colunar para a fase desordenada. As colunas podem se desmontar em três diferentes formas: elas podem completamente se desintegrar rapidamente, podem primeiro se desintegrar lentamente e então perder a ordem colunar ou primeiro perdem a ordem colunar e então se desmontam em um processo demorado. Tais comportamentos estão associados com as interações dentro e entre colunas.

Critical behavior of su(1|1) supersymmetric spin chains with long-range interactions

We introduce a general class of su(1|1) supersymmetric spin chains with long-range interactions which includes as particular cases the su(1|1) Inozemtsev (elliptic) and Haldane-Shastry chains, as well as the XX model. We show that this class of models can be fermionized with the help of the algebraic properties of the su(1|1) permutation operator and take advantage of this fact to analyze their quantum criticality when a chemical potential term is present in the Hamiltonian. We first study the low-energy excitations and the low-temperature behavior of the free energy, which coincides with that of a (1+1)-dimensional conformal field theory (CFT) with central charge c=1 when the chemical potential lies in the critical interval (0,E(π)), E(p) being the dispersion relation. We also analyze the von Neumann and Rényi ground state entanglement entropies, showing that they exhibit the logarithmic scaling with the size of the block of spins characteristic of a one-boson (1+1)-dimensional CFT. Our results thus show that the models under study are quantum critical when the chemical potential belongs to the critical interval, with central charge c=1. From the analysis of the fermion density at zero temperature, we also conclude that there is a quantum phase transition at both ends of the critical interval. This is further confirmed by the behavior of the fermion density at finite temperature, which is studied analytically (at low temperature), as well as numerically for the su(1|1) elliptic chain.

Interplay between sublattice and spin symmetry breaking in graphene

We study the effect of sublattice symmetry breaking on the electronic, magnetic, and transport properties of two-dimensional graphene as well as zigzag terminated one- and zero-dimensional graphene nanostructures. The systems are described with the Hubbard model within the collinear mean field approximation. We prove that for the noninteracting bipartite lattice with an unequal number of atoms in each sublattice, in-gap states still exist in the presence of a staggered on-site potential ±Δ/2. We compute the phase diagram of both 2D and 1D graphene with zigzag edges, at half filling, defined by the normalized interaction strength U/t and Δ/t, where t is the first neighbor hopping. In the case of 2D we find that the system is always insulating, and we find the Uc(Δ) curve above which the system goes antiferromagnetic. In 1D we find that the system undergoes a phase transition from nonmagnetic insulator for Uphase with ferromagnetic edge order and antiferromagnetic interedge coupling. The conduction properties of the magnetic phase depend on Δ and can be insulating, conducting, and even half-metallic, yet the total magnetic moment in the system is zero. We compute the transport properties of a heterojunction with two magnetic graphene ribbon electrodes connected to a finite length armchair ribbon and we find a strong spin filter effect.

Characterization of the interfaces between Au(hkl) single crystal basal plane electrodes and [Emmim][Tf2N] ionic liquid

The interface between Au(hkl) basal planes and the ionic liquid 1-Ethyl-2,3-dimethyl imidazolium bis(trifluoromethyl)sulfonil imide was investigated by using both cyclic voltammetry and laser-induced temperature jump. Cyclic voltammetry showed characteristic features, revealing surface sensitive processes at the interfaces Au(hkl)/[Emmim][Tf2N]. From laser-induced heating the potential of maximum entropy (pme) is determined. Pme is close to the potential of zero charge (pzc) and, therefore, the technique provides relevant interfacial information. The following order for the pme values has been found: Au(111) > Au(100) > Au(110). This order correlates well with work function data and values of pzc in aqueous solutions.

Aspects of Markov Chains and Particle Systems

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Developments in the Theory of X-ray Absorption and Compton Scattering.

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Study of hexane adsorption in nanoporous MCM-41 silica

We study here the adsorption of hexane on nanoporous MCM-41 silica at 303, 313, and 323 K, for various pore diameters between 2.40 and 4.24 nm. Adsorption equilibria, measured thermogravimetrically, show that all the isotherms, that are somewhat akin to those of type V, exhibit remarkably sharp capillary adsorption phase transition steps and are reversible. The position of the phase transition step gradually shifts from low to high relative pressure with an increase in the temperature as well as the pore sizes. The isosteric heats of adsorption derived from the equilibrium information using the Clapeyron equation reveal a gradual decrease with increasing adsorbed amount because of the surface heterogeneity but approach a constant value near the phase transition. A decrease in the pore size results in an increase in the isosteric heat of adsorption because of the increased dispersion forces. A simple strategy, based on the Broekhoff and De Boer adsorption theory, successfully interprets the hexane adsorption isotherms for the different pore size MCM-41 samples. The parameters of an empirical expression, used to represent the potential of interaction between the adsorbate and adsorbent, are obtained by fitting the monolayer region prior to capillary condensation and the experimental phase transition simultaneously, for some pore sizes. Subsequently, the parameters are used to predict the adsorption isotherm on other pore size samples, which showed good agreement with experimental data.