Molecular effects in the ionization of N-2, O-2, and F-2 by intense laser fields

In this paper we study the response in time of N2, O2, and F2 to laser pulses having a wavelength of 390 nm. We find single-ionization suppression in O2 and its absence in F2, in accordance with experimental results at lambda= 800 nm. Within our framework of time-dependent density functional theory we are able to explain deviations from the predictions of intense-field many-body S-matrix theory (IMST). We confirm the connection of ionization suppression with destructive interference of outgoing electron waves from the ionized electron orbital. However, the prediction of ionization suppression, justified within the IMST approach through the symmetry of the highest occupied molecular orbital (HOMO), is not reliable since it turns out that—e.g., in the case of F2—the electronic response to the laser pulse is rather complicated and does not lead to dominant depletion of the HOMO. Therefore, the symmetry of the HOMO is not sufficient to predict ionization suppression. However, at least for F2, the symmetry of the dominantly ionized orbital is consistent with the nonsuppression of ionization.

Photon collisions with atoms and ions within an intermediate-energy R-matrix framework

Recent experimental advances in light technology necessitate the availability of sophisticated theoretical models which can incorporate an accurate treatment of double-electron continua. We describe here a new intermediate-energy R-matrix approach to photoionisation and photo-double-ionisation and illustrate its feasibilty by application to photoionisation and photo-double-ionisation of He, and photodetachment and photo-double-detachment of H^-. Results are shown to be in excellent agreement with previous theoretical and experimental studies. This work is a key step in the development of a multipurpose R-matrix code for multiple-electron ejection. © 2012 American Physical Society

Protecting group and switchable pore-discriminating adsorption properties of a hydrophilic-hydrophobic metal-organic framework

Formed by linking metals or metal clusters through organic linkers, metal-organic frameworks are a class of solids with structural and chemical properties that mark them out as candidates for many emerging gas storage, separation, catalysis and biomedical applications. Important features of these materials include their high porosity and their flexibility in response to chemical or physical stimuli. Here, a copper-based metal-organic framework has been prepared in which the starting linker (benzene-1,3,5-tricarboxylic acid) undergoes selective monoesterification during synthesis to produce a solid with two different channel systems, lined by hydrophilic and hydrophobic surfaces, respectively. The material reacts differently to gases or vapours of dissimilar chemistry, some stimulating subtle framework flexibility or showing kinetic adsorption effects. Adsorption can be switched between the two channels by judicious choice of the conditions. The monoesterified linker is recoverable in quantitative yield, demonstrating possible uses of metal-organic frameworks in molecular synthetic chemistry as 'protecting groups' to accomplish selective transformations that are difficult using standard chemistry techniques.

A retrievable and highly selective fluorescent probe for monitoring dihydrogen phosphate ions based on a naphthalimide framework

A novel selective fluorescent chemosensor based on naphthalimide derivatives (AN-SB) was synthesized and characterized. Once combined with Cu2+, compound AN-SB could give rise to a visible yellow to orange color change and fluorescence quenching, while other metal ions showed subtle disturbance. The complex (AN-SB-Cu2+) formed by Cu2+ and AN-SB displayed high specificity for H2PO4-. Among the various anions, only H2PO4- induced the revival of color and fluorescence of AN-SB, resulting in "off-on" type sensing of H2PO4- anion. The signal transduction occured via reversible formation-separation of complex AN-SB-Cu2+, however, slight changes were observed in the presence of other anions. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

PICan: An integromics framework for dynamic cancer biomarker discovery

Modern cancer research on prognostic and predictive biomarkers demands the integration of established and emerging high-throughput technologies. However, these data are meaningless unless carefully integrated with patient clinical outcome and epidemiological information. Integrated datasets hold the key to discovering new biomarkers and therapeutic targets in cancer. We have developed a novel approach and set of methods for integrating and interrogating phenomic, genomic and clinical data sets to facilitate cancer biomarker discovery and patient stratification. Applied to a known paradigm, the biological and clinical relevance of TP53, PICan was able to recapitulate the known biomarker status and prognostic significance at a DNA, RNA and protein levels.

Biodiversity and molecular evolution of malacostraca

No actual cenário de perda acelerada de biodiversidade, o nosso conhecimento dos ecossistemas marinhos, apesar da sua extensão e complexidade, continua muito inferior ao dos ecossistemas terrestres. A classe Malacostraca (Arthropoda, Crustacea), um grupo dos mais representativos nos ecossistemas marinhos, apresenta um elevado nível de diversidade morfológica e ecológica, mas difícil sua identificação ao nível de espécie requer frequentemente a ajuda de especialistas em taxonomia. A utilização recente do “barcoding” (código de barras do ADN), revelou ser um método rápido e eficaz para a identificação de espécies em diversos grupos de metazoários, incluindo os Malacostraca. No âmbito desta tese foi construída uma base de dados de código de barras de ADN envolvendo 132 espécies de Malacostraca vários locais de amostragem no Atlântico Nordeste e Mediterrâneo. As sequências de ADN mitocondrial provenientes de 601 espécimes formaram, em 95% dos casos, grupos congruentes com as identificações baseadas em características morfológicas. No entanto, foi detectado polimorfismo em seis casos e a divergência intra-específica foi elevada em exemplares pertencentes a duas espécies morfológicas, sugerindo, neste caso, a ocorrência de especiação críptica. Este estudo confirma a utilidade do código de barras de ADN para a identificação de Malacostraca marinhos. Apesar do sucesso obtido, este método apresenta alguns problemas, como por exemplo a possível amplificação de pseudogenes. A ocorrência de pseudogenes e as possíveisabordagens para a detecção e resolução deste tipo de problemas são discutidas com base em casos de estudo: análises dos códigos de barras ADN na espécie Goneplax rhomboides (Crustacea, Decapoda). A análise dos códigos de barras ADN revelou ainda grupos prioritários de decápodes para estudos taxonómicos e sistemáticos, nomeadamente os decápodes dos géneros Plesionika e Pagurus. Neste âmbito são discutidas as relações filogenéticas entre espécies seleccionadas dos géneros Plesionika e Pagurus. Este trabalho aponta para várias questões no âmbito da biodiversidade e evolução molecular da classe Malacostraca que carecem de um maior esclarecimento, podendo ser considerado como a base para estudo futuros. Análises filogenéticas adicionais integrando dados morfológicos e moleculares de um maior número de espécies e de famílias deverão certamente conduzir a uma melhor avaliação da biodiversidade e da evolução dentro da classe.

Molecular simulation of gas adsorption equilibria in nanoporous materials

This work is divided into two distinct parts. The first part consists of the study of the metal organic framework UiO-66Zr, where the aim was to determine the force field that best describes the adsorption equilibrium properties of two different gases, methane and carbon dioxide. The other part of the work focuses on the study of the single wall carbon nanotube topology for ethane adsorption; the aim was to simplify as much as possible the solid-fluid force field model to increase the computational efficiency of the Monte Carlo simulations. The choice of both adsorbents relies on their potential use in adsorption processes, such as the capture and storage of carbon dioxide, natural gas storage, separation of components of biogas, and olefin/paraffin separations. The adsorption studies on the two porous materials were performed by molecular simulation using the grand canonical Monte Carlo (μ,V,T) method, over the temperature range of 298-343 K and pressure range 0.06-70 bar. The calibration curves of pressure and density as a function of chemical potential and temperature for the three adsorbates under study, were obtained Monte Carlo simulation in the canonical ensemble (N,V,T); polynomial fit and interpolation of the obtained data allowed to determine the pressure and gas density at any chemical potential. The adsorption equilibria of methane and carbon dioxide in UiO-66Zr were simulated and compared with the experimental data obtained by Jasmina H. Cavka et al. The results show that the best force field for both gases is a chargeless united-atom force field based on the TraPPE model. Using this validated force field it was possible to estimate the isosteric heats of adsorption and the Henry constants. In the Grand-Canonical Monte Carlo simulations of carbon nanotubes, we conclude that the fastest type of run is obtained with a force field that approximates the nanotube as a smooth cylinder; this approximation gives execution times that are 1.6 times faster than the typical atomistic runs.

Searching for novel gene functions in yeast : identification of thousands of novel molecular interactions by protein-fragment complementation assay followed by automated gene function prediction and high-throughput lipidomics

La compréhension de processus biologiques complexes requiert des approches expérimentales et informatiques sophistiquées. Les récents progrès dans le domaine des stratégies génomiques fonctionnelles mettent dorénavant à notre disposition de puissants outils de collecte de données sur l’interconnectivité des gènes, des protéines et des petites molécules, dans le but d’étudier les principes organisationnels de leurs réseaux cellulaires. L’intégration de ces connaissances au sein d’un cadre de référence en biologie systémique permettrait la prédiction de nouvelles fonctions de gènes qui demeurent non caractérisées à ce jour. Afin de réaliser de telles prédictions à l’échelle génomique chez la levure Saccharomyces cerevisiae, nous avons développé une stratégie innovatrice qui combine le criblage interactomique à haut débit des interactions protéines-protéines, la prédiction de la fonction des gènes in silico ainsi que la validation de ces prédictions avec la lipidomique à haut débit. D’abord, nous avons exécuté un dépistage à grande échelle des interactions protéines-protéines à l’aide de la complémentation de fragments protéiques. Cette méthode a permis de déceler des interactions in vivo entre les protéines exprimées par leurs promoteurs naturels. De plus, aucun biais lié aux interactions des membranes n’a pu être mis en évidence avec cette méthode, comparativement aux autres techniques existantes qui décèlent les interactions protéines-protéines. Conséquemment, nous avons découvert plusieurs nouvelles interactions et nous avons augmenté la couverture d’un interactome d’homéostasie lipidique dont la compréhension demeure encore incomplète à ce jour. Par la suite, nous avons appliqué un algorithme d’apprentissage afin d’identifier huit gènes non caractérisés ayant un rôle potentiel dans le métabolisme des lipides. Finalement, nous avons étudié si ces gènes et un groupe de régulateurs transcriptionnels distincts, non préalablement impliqués avec les lipides, avaient un rôle dans l’homéostasie des lipides. Dans ce but, nous avons analysé les lipidomes des délétions mutantes de gènes sélectionnés. Afin d’examiner une grande quantité de souches, nous avons développé une plateforme à haut débit pour le criblage lipidomique à contenu élevé des bibliothèques de levures mutantes. Cette plateforme consiste en la spectrométrie de masse à haute resolution Orbitrap et en un cadre de traitement des données dédié et supportant le phénotypage des lipides de centaines de mutations de Saccharomyces cerevisiae. Les méthodes expérimentales en lipidomiques ont confirmé les prédictions fonctionnelles en démontrant certaines différences au sein des phénotypes métaboliques lipidiques des délétions mutantes ayant une absence des gènes YBR141C et YJR015W, connus pour leur implication dans le métabolisme des lipides. Une altération du phénotype lipidique a également été observé pour une délétion mutante du facteur de transcription KAR4 qui n’avait pas été auparavant lié au métabolisme lipidique. Tous ces résultats démontrent qu’un processus qui intègre l’acquisition de nouvelles interactions moléculaires, la prédiction informatique des fonctions des gènes et une plateforme lipidomique innovatrice à haut débit , constitue un ajout important aux méthodologies existantes en biologie systémique. Les développements en méthodologies génomiques fonctionnelles et en technologies lipidomiques fournissent donc de nouveaux moyens pour étudier les réseaux biologiques des eucaryotes supérieurs, incluant les mammifères. Par conséquent, le stratégie présenté ici détient un potentiel d’application au sein d’organismes plus complexes.

Quantum similarity topological indices definition, analysis and comparison with classical molecular topological indices

Es mostra que, gracies a una extensió en la definició dels Índexs Moleculars Topològics, s'arriba a la formulació d'índexs relacionats amb la teoria de la Semblança Molecular Quàntica. Es posa de manifest la connexió entre les dues metodologies: es revela que un marc de treball teòric sòlidament fonamentat sobre la teoria de la Mecànica Quàntica es pot connectar amb una de les tècniques més antigues relacionades amb els estudis de QSPR. Es mostren els resultats per a dos casos d'exemple d'aplicació d'ambdues metodologies

Practical applications of quantum molecular similarity measures (QMSM): programs and examples

Es descriu l'aproximació de Capes Atòmiques dins de la teoria de la Semblança Molecular Quàntica. Partint només de dades teòriques, s'ha trobat una relació entre estructura molecular i activitat biològica per a diversos conjunts de molècules. Es descriuen els aspectes teòrics de la Semblança Molecular Quàntica i alguns exemples d'aplicació

Funcions densitat i semblança molecular quàntica: nous desenvolupaments i aplicacions

La present tesi, tot i que emmarcada dins de la teoria de les Mesures Semblança Molecular Quántica (MQSM), es deriva en tres àmbits clarament definits: - La creació de Contorns Moleculars de IsoDensitat Electrònica (MIDCOs, de l'anglès Molecular IsoDensity COntours) a partir de densitats electròniques ajustades. - El desenvolupament d'un mètode de sobreposició molecular, alternatiu a la regla de la màxima semblança. - Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR, de l'anglès Quantitative Structure-Activity Relationships). L'objectiu en el camp dels MIDCOs és l'aplicació de funcions densitat ajustades, ideades inicialment per a abaratir els càlculs de MQSM, per a l'obtenció de MIDCOs. Així, es realitza un estudi gràfic comparatiu entre diferents funcions densitat ajustades a diferents bases amb densitats obtingudes de càlculs duts a terme a nivells ab initio. D'aquesta manera, l'analogia visual entre les funcions ajustades i les ab initio obtinguda en el ventall de representacions de densitat obtingudes, i juntament amb els valors de les mesures de semblança obtinguts prèviament, totalment comparables, fonamenta l'ús d'aquestes funcions ajustades. Més enllà del propòsit inicial, es van realitzar dos estudis complementaris a la simple representació de densitats, i són l'anàlisi de curvatura i l'extensió a macromolècules. La primera observació correspon a comprovar no només la semblança dels MIDCOs, sinó la coherència del seu comportament a nivell de curvatura, podent-se així observar punts d'inflexió en la representació de densitats i veure gràficament aquelles zones on la densitat és còncava o convexa. Aquest primer estudi revela que tant les densitats ajustades com les calculades a nivell ab initio es comporten de manera totalment anàloga. En la segona part d'aquest treball es va poder estendre el mètode a molècules més grans, de fins uns 2500 àtoms. Finalment, s'aplica part de la filosofia del MEDLA. Sabent que la densitat electrònica decau ràpidament al allunyar-se dels nuclis, el càlcul d'aquesta pot ser obviat a distàncies grans d'aquests. D'aquesta manera es va proposar particionar l'espai, i calcular tan sols les funcions ajustades de cada àtom tan sols en una regió petita, envoltant l'àtom en qüestió. Duent a terme aquest procés, es disminueix el temps de càlcul i el procés esdevé lineal amb nombre d'àtoms presents en la molècula tractada. En el tema dedicat a la sobreposició molecular es tracta la creació d'un algorisme, així com la seva implementació en forma de programa, batejat Topo-Geometrical Superposition Algorithm (TGSA), d'un mètode que proporcionés aquells alineaments que coincideixen amb la intuïció química. El resultat és un programa informàtic, codificat en Fortran 90, el qual alinea les molècules per parelles considerant tan sols nombres i distàncies atòmiques. La total absència de paràmetres teòrics permet desenvolupar un mètode de sobreposició molecular general, que proporcioni una sobreposició intuïtiva, i també de forma rellevant, de manera ràpida i amb poca intervenció de l'usuari. L'ús màxim del TGSA s'ha dedicat a calcular semblances per al seu ús posterior en QSAR, les quals majoritàriament no corresponen al valor que s'obtindria d'emprar la regla de la màxima semblança, sobretot si hi ha àtoms pesats en joc. Finalment, en l'últim tema, dedicat a la Semblança Quàntica en el marc del QSAR, es tracten tres aspectes diferents: - Ús de matrius de semblança. Aquí intervé l'anomenada matriu de semblança, calculada a partir de les semblances per parelles d'entre un conjunt de molècules. Aquesta matriu és emprada posteriorment, degudament tractada, com a font de descriptors moleculars per a estudis QSAR. Dins d'aquest àmbit s'han fet diversos estudis de correlació d'interès farmacològic, toxicològic, així com de diverses propietats físiques. - Aplicació de l'energia d'interacció electró-electró, assimilat com a una forma d'autosemblança. Aquesta modesta contribució consisteix breument en prendre el valor d'aquesta magnitud, i per analogia amb la notació de l'autosemblança molecular quàntica, assimilar-la com a cas particular de d'aquesta mesura. Aquesta energia d'interacció s'obté fàcilment a partir de programari mecanoquàntic, i esdevé ideal per a fer un primer estudi preliminar de correlació, on s'utilitza aquesta magnitud com a únic descriptor. - Càlcul d'autosemblances, on la densitat ha estat modificada per a augmentar el paper d'un substituent. Treballs previs amb densitats de fragments, tot i donar molt bons resultats, manquen de cert rigor conceptual en aïllar un fragment, suposadament responsable de l'activitat molecular, de la totalitat de l'estructura molecular, tot i que les densitats associades a aquest fragment ja difereixen degut a pertànyer a esquelets amb diferents substitucions. Un procediment per a omplir aquest buit que deixa la simple separació del fragment, considerant així la totalitat de la molècula (calcular-ne l'autosemblança), però evitant al mateix temps valors d'autosemblança no desitjats provocats per àtoms pesats, és l'ús de densitats de Forats de fermi, els quals es troben definits al voltant del fragment d'interès. Aquest procediment modifica la densitat de manera que es troba majoritàriament concentrada a la regió d'interès, però alhora permet obtenir una funció densitat, la qual es comporta matemàticament igual que la densitat electrònica regular, podent-se així incorporar dins del marc de la semblança molecular. Les autosemblances calculades amb aquesta metodologia han portat a bones correlacions amb àcids aromàtics substituïts, podent així donar una explicació al seu comportament. Des d'un altre punt de vista, també s'han fet contribucions conceptuals. S'ha implementat una nova mesura de semblança, la d'energia cinètica, la qual consisteix en prendre la recentment desenvolupada funció densitat d'energia cinètica, la qual al comportar-se matemàticament igual a les densitats electròniques regulars, s'ha incorporat en el marc de la semblança. A partir d'aquesta mesura s'han obtingut models QSAR satisfactoris per diferents conjunts moleculars. Dins de l'aspecte del tractament de les matrius de semblança s'ha implementat l'anomenada transformació estocàstica com a alternativa a l'ús de l'índex Carbó. Aquesta transformació de la matriu de semblança permet obtenir una nova matriu no simètrica, la qual pot ser posteriorment tractada per a construir models QSAR.

Dynamic load balancing for the distributed mining of molecular structures

In molecular biology, it is often desirable to find common properties in large numbers of drug candidates. One family of methods stems from the data mining community, where algorithms to find frequent graphs have received increasing attention over the past years. However, the computational complexity of the underlying problem and the large amount of data to be explored essentially render sequential algorithms useless. In this paper, we present a distributed approach to the frequent subgraph mining problem to discover interesting patterns in molecular compounds. This problem is characterized by a highly irregular search tree, whereby no reliable workload prediction is available. We describe the three main aspects of the proposed distributed algorithm, namely, a dynamic partitioning of the search space, a distribution process based on a peer-to-peer communication framework, and a novel receiverinitiated load balancing algorithm. The effectiveness of the distributed method has been evaluated on the well-known National Cancer Institute’s HIV-screening data set, where we were able to show close-to linear speedup in a network of workstations. The proposed approach also allows for dynamic resource aggregation in a non dedicated computational environment. These features make it suitable for large-scale, multi-domain, heterogeneous environments, such as computational grids.

Fast training of self organizing maps for the visual exploration of molecular compounds

Visual exploration of scientific data in life science area is a growing research field due to the large amount of available data. The Kohonen’s Self Organizing Map (SOM) is a widely used tool for visualization of multidimensional data. In this paper we present a fast learning algorithm for SOMs that uses a simulated annealing method to adapt the learning parameters. The algorithm has been adopted in a data analysis framework for the generation of similarity maps. Such maps provide an effective tool for the visual exploration of large and multi-dimensional input spaces. The approach has been applied to data generated during the High Throughput Screening of molecular compounds; the generated maps allow a visual exploration of molecules with similar topological properties. The experimental analysis on real world data from the National Cancer Institute shows the speed up of the proposed SOM training process in comparison to a traditional approach. The resulting visual landscape groups molecules with similar chemical properties in densely connected regions.

High performance subgraph mining in molecular compounds

Structured data represented in the form of graphs arises in several fields of the science and the growing amount of available data makes distributed graph mining techniques particularly relevant. In this paper, we present a distributed approach to the frequent subgraph mining problem to discover interesting patterns in molecular compounds. The problem is characterized by a highly irregular search tree, whereby no reliable workload prediction is available. We describe the three main aspects of the proposed distributed algorithm, namely a dynamic partitioning of the search space, a distribution process based on a peer-to-peer communication framework, and a novel receiver-initiated, load balancing algorithm. The effectiveness of the distributed method has been evaluated on the well-known National Cancer Institute’s HIV-screening dataset, where the approach attains close-to linear speedup in a network of workstations.

Mapping and controlling molecular processes: The application of control theory and system identification algorithms to ASOPS and other fast pulse spectroscopies

Asynchronous Optical Sampling (ASOPS) [1,2] and frequency comb spectrometry [3] based on dual Ti:saphire resonators operated in a master/slave mode have the potential to improve signal to noise ratio in THz transient and IR sperctrometry. The multimode Brownian oscillator time-domain response function described by state-space models is a mathematically robust framework that can be used to describe the dispersive phenomena governed by Lorentzian, Debye and Drude responses. In addition, the optical properties of an arbitrary medium can be expressed as a linear combination of simple multimode Brownian oscillator functions. The suitability of a range of signal processing schemes adopted from the Systems Identification and Control Theory community for further processing the recorded THz transients in the time or frequency domain will be outlined [4,5]. Since a femtosecond duration pulse is capable of persistent excitation of the medium within which it propagates, such approach is perfectly justifiable. Several de-noising routines based on system identification will be shown. Furthermore, specifically developed apodization structures will be discussed. These are necessary because due to dispersion issues, the time-domain background and sample interferograms are non-symmetrical [6-8]. These procedures can lead to a more precise estimation of the complex insertion loss function. The algorithms are applicable to femtosecond spectroscopies across the EM spectrum. Finally, a methodology for femtosecond pulse shaping using genetic algorithms aiming to map and control molecular relaxation processes will be mentioned.