Estimates of electronic coupling for excess electron transfer in DNA

Electronic coupling Vda is one of the key parameters that determine the rate of charge transfer through DNA. While there have been several computational studies of Vda for hole transfer, estimates of electronic couplings for excess electron transfer (ET) in DNA remain unavailable. In the paper, an efficient strategy is established for calculating the ET matrix elements between base pairs in a π stack. Two approaches are considered. First, we employ the diabatic-state (DS) method in which donor and acceptor are represented with radical anions of the canonical base pairs adenine-thymine (AT) and guanine-cytosine (GC). In this approach, similar values of Vda are obtained with the standard 6-31 G* and extended 6-31++ G* basis sets. Second, the electronic couplings are derived from lowest unoccupied molecular orbitals (LUMOs) of neutral systems by using the generalized Mulliken-Hush or fragment charge methods. Because the radical-anion states of AT and GC are well reproduced by LUMOs of the neutral base pairs calculated without diffuse functions, the estimated values of Vda are in good agreement with the couplings obtained for radical-anion states using the DS method. However, when the calculation of a neutral stack is carried out with diffuse functions, LUMOs of the system exhibit the dipole-bound character and cannot be used for estimating electronic couplings. Our calculations suggest that the ET matrix elements Vda for models containing intrastrand thymine and cytosine bases are essentially larger than the couplings in complexes with interstrand pyrimidine bases. The matrix elements for excess electron transfer are found to be considerably smaller than the corresponding values for hole transfer and to be very responsive to structural changes in a DNA stack

Hints for a fast precessing relativistic radio jet in LS I + 61° 303

Here we discuss two consecutive MERLIN observations of the X-ray binary LS I +61° 303 . The first observation shows a double-sided jet extending up to about 200 AU on both sides of a central source. The jet shows a bent S-shaped structure similar to the one displayed by the well-known precessing jet of SS 433 . The precession suggested in the first MERLIN image becomes evident in the second one, showing a one-sided bent jet significantly rotated with respect to the jet of the day before. We conclude that the derived precession of the relativistic (beta=0.6) jet explains puzzling previous VLBI results. Moreover, the fact that the precession is fast could be the explanation of the never understood short term (days) variability of the associated gamma-ray source 2CG 135+01 / 3EG J0241+6103

Estructura computacional i aplicacions de la semblança molecular quàntica

La tesis tracta diferents aspectes relacionats amb el càlcul de la semblança quàntica, així com la seva aplicació en la racionalització i predicció de l'activitat de fàrmacs. Es poden destacar dos progressos importants en el desenvolupament de noves metodologies que faciliten el càlcul de les mesures de semblança quàntica. En primer lloc, la descripció de les molècules mitjançant les funciones densitat aproximades PASA (Promolecular Atomic Shell Approximation) ha permès descriure amb suficient precisió la densitat electrònica dels sistemes moleculars analitzats, reduint substancialment el temps de càlcul de les mesures de semblança. En segon lloc, el desenvolupament de tècniques de superposició molecular específiques de les mesures de semblança quàntica ha permès resoldre el problema de l'alineament en l'espai dels compostos comparats. El perfeccionament d'aquests nous procediments i algoritmes matemàtics associats a les mesures de semblança molecular quàntica, ha estat essencial per poder progressar en diferents disciplines de la química computacional, sobretot les relacionades amb les anàlisis quantitatives entre les estructures moleculars i les seves activitats biològiques, conegudes amb les sigles angleses QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships). Precisament en l'àrea de les relacions estructura-activitat s'han presentat dues aproximacions fonamentades en la semblança molecular quàntica que s'originen a partir de dues representacions diferents de les molècules. La primera descripció considera la densitat electrònica global de les molècules i és important, entre altres, la disposició dels objectes comparats en l'espai i la seva conformació tridimensional. El resultat és una matriu de semblança amb les mesures de semblança de tots els parells de compostos que formen el conjunt estudiat. La segona descripció es fonamenta en la partició de la densitat global de les molècules en fragments. S'utilitzen mesures d'autosemblança per analitzar els requeriments bàsics d'una determinada activitat des del punt de vista de la semblança quàntica. El procés permet la detecció de les regions moleculars que són responsables d'una alta resposta biològica. Això permet obtenir un patró amb les regions actives que és d'evident interès per als propòsits del disseny de fàrmacs. En definitiva, s'ha comprovat que mitjançant la simulació i manipulació informàtica de les molècules en tres dimensions es pot obtenir una informació essencial en l'estudi de la interacció entre els fàrmacs i els seus receptors macromoleculars.

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.

A fast radiative transfer model for the assimilation of water vapor radiances from the Kalpana very high resolution radiometer

A fast radiative transfer model (RTM) to compute emitted infrared radiances for a very high resolution radiometer (VHRR), onboard the operational Indian geostationary satellite Kalpana has been developed and verified. This work is a step towards the assimilation of Kalpana water vapor (WV) radiances into numerical weather prediction models. The fast RTM uses a regression‐based approach to parameterize channel‐specific convolved level to space transmittances. A comparison between the fast RTM and the line‐by‐line RTM demonstrated that the fast RTM can simulate line‐by‐line radiances for the Kalpana WV channel to an accuracy better than the instrument noise, while offering more rapid radiance calculations. A comparison of clear sky radiances of the Kalpana WV channel with the ECMWF model first guess radiances is also presented, aiming to demonstrate the fast RTM performance with the real observations. In order to assimilate the radiances from Kalpana, a simple scheme for bias correction has been suggested.

Velocities of compressional and shear waves in limestones

Carbonate rocks are important hydrocarbon reservoir rocks with complex textures and petrophysical properties (porosity and permeability) mainly resulting from various diagenetic processes (compaction, dissolution, precipitation, cementation, etc.). These complexities make prediction of reservoir characteristics (e.g. porosity and permeability) from their seismic properties very difficult. To explore the relationship between the seismic, petrophysical and geological properties, ultrasonic compressional- and shear-wave velocity measurements were made under a simulated in situ condition of pressure (50 MPa hydrostatic effective pressure) at frequencies of approximately 0.85 MHz and 0.7 MHz, respectively, using a pulse-echo method. The measurements were made both in vacuum-dry and fully saturated conditions in oolitic limestones of the Great Oolite Formation of southern England. Some of the rocks were fully saturated with oil. The acoustic measurements were supplemented by porosity and permeability measurements, petrological and pore geometry studies of resin-impregnated polished thin sections, X-ray diffraction analyses and scanning electron microscope studies to investigate submicroscopic textures and micropores. It is shown that the compressional- and shear-wave velocities (V-p and V-s, respectively) decrease with increasing porosity and that V-p decreases approximately twice as fast as V-s. The systematic differences in pore structures (e.g. the aspect ratio) of the limestones produce large residuals in the velocity versus porosity relationship. It is demonstrated that the velocity versus porosity relationship can be improved by removing the pore-structure-dependent variations from the residuals. The introduction of water into the pore space decreases the shear moduli of the rocks by about 2 GPa, suggesting that there exists a fluid/matrix interaction at grain contacts, which reduces the rigidity. The predicted Biot-Gassmann velocity values are greater than the measured velocity values due to the rock-fluid interaction. This is not accounted for in the Biot-Gassmann velocity models and velocity dispersion due to a local flow mechanism. The velocities predicted by the Raymer and time-average relationships overestimated the measured velocities even more than the Biot model.

Dynamic behavior of Arabidopsis eif4a-iii, putative core protein of exon junction complex: fast relocation to nucleolus and splicing speckles under hypoxia

Here, we identify the Arabidopsis thaliana ortholog of the mammalian DEAD box helicase, eIF4A-III, the putative anchor protein of exon junction complex (EJC) on mRNA. Arabidopsis eIF4A-III interacts with an ortholog of the core EJC component, ALY/Ref, and colocalizes with other EJC components, such as Mago, Y14, and RNPS1, suggesting a similar function in EJC assembly to animal eIF4A-III. A green fluorescent protein (GFP)-eIF4A-III fusion protein showed localization to several subnuclear domains: to the nucleoplasm during normal growth and to the nucleolus and splicing speckles in response to hypoxia. Treatment with the respiratory inhibitor sodium azide produced an identical response to the hypoxia stress. Treatment with the proteasome inhibitor MG132 led to accumulation of GFP-eIF4A-III mainly in the nucleolus, suggesting that transition of eIF4A-III between subnuclear domains and/or accumulation in nuclear speckles is controlled by proteolysis-labile factors. As revealed by fluorescence recovery after photobleaching analysis, the nucleoplasmic fraction was highly mobile, while the speckles were the least mobile fractions, and the nucleolar fraction had an intermediate mobility. Sequestration of eIF4A-III into nuclear pools with different mobility is likely to reflect the transcriptional and mRNA processing state of the cell.

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.

Fast approximate calculation of multiply scattered lidar returns

An efficient method is described for the approximate calculation of the intensity of multiply scattered lidar returns. It divides the outgoing photons into three populations, representing those that have experienced zero, one, and more than one forward-scattering event. Each population is parameterized at each range gate by its total energy, its spatial variance, the variance of photon direction, and the covariance, of photon direction and position. The result is that for an N-point profile the calculation is O(N-2) efficient and implicitly includes up to N-order scattering, making it ideal for use in iterative retrieval algorithms for which speed is crucial. In contrast, models that explicitly consider each scattering order separately are at best O(N-m/m!) efficient for m-order scattering and often cannot be performed to more than the third or fourth order in retrieval algorithms. For typical cloud profiles and a wide range of lidar fields of view, the new algorithm is as accurate as an explicit calculation truncated at the fifth or sixth order but faster by several orders of magnitude. (C) 2006 Optical Society of America.