Towards reverse engineering of Photosystem II: Synergistic Computational and Experimental Approaches

ABSTRACT Photosystem II (PSII) of oxygenic photosynthesis has the unique ability to photochemically oxidize water, extracting electrons from water to result in the evolution of oxygen gas while depositing these electrons to the rest of the photosynthetic machinery which in turn reduces CO2 to carbohydrate molecules acting as fuel for the cell. Unfortunately, native PSII is unstable and not suitable to be used in industrial applications. Consequently, there is a need to reverse-engineer the water oxidation photochemical reactions of PSII using solution-stable proteins. But what does it take to reverse-engineer PSII’s reactions? PSII has the pigment with the highest oxidation potential in nature known as P680. The high oxidation of P680 is in fact the driving force for water oxidation. P680 is made up of a chlorophyll a dimer embedded inside the relatively hydrophobic transmembrane environment of PSII. In this thesis, the electrostatic factors contributing to the high oxidation potential of P680 are described. PSII oxidizes water in a specialized metal cluster known as the Oxygen Evolving Complex (OEC). The pathways that water can take to enter the relatively hydrophobic region of PSII are described as well. A previous attempt to reverse engineer PSII’s reactions using the protein scaffold of E. coli’s Bacterioferritin (BFR) existed. The oxidation potential of the pigment used for the BFR ‘reaction centre’ was measured and the protein effects calculated in a similar fashion to how P680 potentials were calculated in PSII. The BFR-RC’s pigment oxidation potential was found to be 0.57 V, too low to oxidize water or tyrosine like PSII. We suggest that the observed tyrosine oxidation in BRF-RC could be driven by the ZnCe6 di-cation. In order to increase the efficiency of iii tyrosine oxidation, and ultimately oxidize water, the first potential of ZnCe6 would have to attain a value in excess of 0.8 V. The results were used to develop a second generation of BFR-RC using a high oxidation pigment. The hypervalent phosphorous porphyrin forms a radical pair that can be observed using Transient Electron Paramagnetic Resonance (TR-EPR). Finally, the results from this thesis are discussed in light of the development of solar fuel producing systems.

Conceptions of Quality and Approaches to Quality Assurance in Ontario’s Universities

Many international, political, and economic influences led to increased demands for development of new quality assurance systems for universities. Like many policies and processes that aim to assure quality, Ontario’s Quality Assurance Framework (QAF) did not define quality. This study sought to explore conceptions of quality and approaches to quality assurance used within Ontario’s universities. A document analysis of the QAF’s rationale and structure suggested that quality was conceived primarily as fitness for purpose, while suggested indicators represented an exceptional conception of quality. Ontario universities perpetuated such confusion by adopting the framework without customizing it to their institutional conceptions of quality. Drawing upon phenomenographic traditions, a qualitative investigation was conducted to better understand various conceptions of quality held by university administrators and to appreciate ways in which they implemented the QAF. Three main approaches to quality assurance were identified: (a) Defending Quality, characterized by conceptions of quality as exceptional, which focuses on administrative accountability and uses a hands-off strategy to defend traditional notions of quality inputs and resources; (b) Demonstrating Quality, characterized by conceptions of quality as fitness for purpose and value for money, which focuses on accountability to students and uses centralized engaged strategies to demonstrate how programs meet current priorities and intended outcomes; and (c) Enhancing Quality, characterized by conceptions of quality as transformation, which focuses on reflection and learning experience and uses engaged strategies to find new ways of improving learning and teaching. The development of a campus culture that values the institution’s function in student learning and quality teaching would benefit from Enhancing Quality approaches to quality assurance. This would require holistic consideration of the beliefs held by members of the institution, a clear articulation of the institution’s conceptions of quality, and a critical analysis of how these conceptions align with institutional practices and policies.

Chart outlining Port Dalhousie and Thorold Railway cost of planks, bridge, railway crossing and approaches thereto

Chart outlining Port Dalhousie and Thorold Railway cost of planks, bridge, railway crossing and approaches thereto, n.d.

Summary of the art of war, or a new analytical compend of the principal combinations of strategy, of grand tactics and of military policy

UANL

Parametric and Nonparametric Approaches to Price and Tax Reform.

In the analysis of tax reform, when equity is traded off against efficiency, the measurement of the latter requires us to know how tax-induced price changes affect quantities supplied and demanded. in this paper, we present various econometric procedures for estimating how taxes affect demand.

Warning Patients’ Relatives of Genetic Risks: Policy Approaches

As an increasing number of genetic tests for specific early- and late-onset disorders move from research to the clinical setting, health care professionals are faced with new challenges or, alternatively, with novel twists on age-old ethical dilemmas. A finding that an individual carries a deleterious mutation can indicate that his or her relatives are at an increased risk of being affected by the same genetic disorder.

Protecting Genetic Information: A Comparison of Normative Approaches

The increasing use of genetic information has emerged as an important concern worldwide as scientific and technological advances continue to advance at lightening speed and as governments struggle to develop appropriate policy frameworks. While most countries clearly recognize that genetic information warrants some form of privacy protection, the underlying rationale for providing that protection and the approach which is ultimately adopted vary significantly across the board. As a result, a medley of laws, policy statements and guidelines currently exist to protect genetic information, each with its inherent assumptions, concepts and terminology.

Sequential Machine learning Approaches for Portfolio Management

Cette thèse envisage un ensemble de méthodes permettant aux algorithmes d'apprentissage statistique de mieux traiter la nature séquentielle des problèmes de gestion de portefeuilles financiers. Nous débutons par une considération du problème général de la composition d'algorithmes d'apprentissage devant gérer des tâches séquentielles, en particulier celui de la mise-à-jour efficace des ensembles d'apprentissage dans un cadre de validation séquentielle. Nous énumérons les desiderata que des primitives de composition doivent satisfaire, et faisons ressortir la difficulté de les atteindre de façon rigoureuse et efficace. Nous poursuivons en présentant un ensemble d'algorithmes qui atteignent ces objectifs et présentons une étude de cas d'un système complexe de prise de décision financière utilisant ces techniques. Nous décrivons ensuite une méthode générale permettant de transformer un problème de décision séquentielle non-Markovien en un problème d'apprentissage supervisé en employant un algorithme de recherche basé sur les K meilleurs chemins. Nous traitons d'une application en gestion de portefeuille où nous entraînons un algorithme d'apprentissage à optimiser directement un ratio de Sharpe (ou autre critère non-additif incorporant une aversion au risque). Nous illustrons l'approche par une étude expérimentale approfondie, proposant une architecture de réseaux de neurones spécialisée à la gestion de portefeuille et la comparant à plusieurs alternatives. Finalement, nous introduisons une représentation fonctionnelle de séries chronologiques permettant à des prévisions d'être effectuées sur un horizon variable, tout en utilisant un ensemble informationnel révélé de manière progressive. L'approche est basée sur l'utilisation des processus Gaussiens, lesquels fournissent une matrice de covariance complète entre tous les points pour lesquels une prévision est demandée. Cette information est utilisée à bon escient par un algorithme qui transige activement des écarts de cours (price spreads) entre des contrats à terme sur commodités. L'approche proposée produit, hors échantillon, un rendement ajusté pour le risque significatif, après frais de transactions, sur un portefeuille de 30 actifs.

Two approaches to stakeholder identification

The paper presents two fundamentally different ways to approach the identification of stakeholders. The first is the relationship approach. According to this approach, special obligations arise between individuals or groups only if a specific relationship exists between them. The rival approach is the assignment approach. This approach challenges the claim that obligations only arise if a particular relationship exists between the company and a group. It holds that the distribution of responsibilities should be viewed as a set of pragmatic rules derived from general moral considerations. The paper discusses the extent to which these two approaches can justify the main features of the traditional stakeholder model.

Cerebral edema and acute liver failure : pathophysiological mechanisms and new therapeutic approaches

L’encéphalopathie hépatique (EH) se développe chez les patients atteints d’une maladie du foie et se caractérise par de nombreuses anomalies neuropsychiatriques. L’insuffisance hépatique aiguë (IHA) se caractérise par une perte progressive de l’état de conscience, par une augmentation rapide de l’œdème cérébral et une augmentation de la pression intracrânienne entraînant une herniation cérébrale et la mort. Plusieurs facteurs sont responsables du développement de l’EH mais depuis une centaine d’années, l’hyperammonémie qui peut atteindre des concentrations de l’ordre de plusieurs millimolaires chez les patients atteints d’IHA aux stades de coma est considérée comme un facteur crucial dans la pathogenèse de l’EH. La présente thèse comprend 4 articles suggérant l’implication de nouveaux mécanismes pathogéniques dans le développement de l’EH et de l’œdème cérébral associés à l’IHA et tente d’expliquer l’effet thérapeutique de l’hypothermie et de la minocycline dans la prévention de l’EH et de l’œdème cérébral: 1. L’IHA induite par dévascularisation hépatique chez le rat se caractérise par une augmentation de la production de cytokines pro-inflammatoires cérébrales (IL-6, IL-1, TNF-). Cette observation constitue la première évidence directe que des mécanismes neuro-inflammatoires jouent une rôle dans la pathogenèse de l’EH et de l’œdème cérébral associés à l’IHA (Chapitre 2.1, articles 1 et 2). 2. L’activation de la microglie telle que mesurée par l’expression de marqueurs spécifiques (OX42, OX-6) coïncide avec le développement de l’encéphalopathie (stade coma) et de l’œdème cérébral et s’accompagne d’une production accrue de cytokines pro-inflammatoires cérébrales (Chapitre 2.1, article 1 et 2). 3. Un stress oxydatif/nitrosatif causé par une augmentation de l’expression de l’oxyde nitrique synthétase et une augmentation de la synthèse d’oxyde nitrique cérébral participe à la pathogénèse des complications neurologiques de l’IHA (Chapitre 2.3, articles 3 et 4). 4. Des traitements anti-inflammatoires tels que l’hypothermie et la minocycline peuvent constituer de nouvelles approches thérapeutiques chez les patients atteints d’IHA (Chapitre 2.1, article 1; Chapitre 2.2, article 2). 5. Les effets bénéfiques de l’hypothermie et de la minocycline sur les complications neurologiques de l’IHA expérimentale s’expliquent, en partie, par une diminution du stress oxydatif/nitrosatif (Chapitre 2.3, article 3; Chapitre 2.4, article 4).

Non-negative matrix decomposition approaches to frequency domain analysis of music audio signals

On étudie l’application des algorithmes de décomposition matricielles tel que la Factorisation Matricielle Non-négative (FMN), aux représentations fréquentielles de signaux audio musicaux. Ces algorithmes, dirigés par une fonction d’erreur de reconstruction, apprennent un ensemble de fonctions de base et un ensemble de coef- ficients correspondants qui approximent le signal d’entrée. On compare l’utilisation de trois fonctions d’erreur de reconstruction quand la FMN est appliquée à des gammes monophoniques et harmonisées: moindre carré, divergence Kullback-Leibler, et une mesure de divergence dépendente de la phase, introduite récemment. Des nouvelles méthodes pour interpréter les décompositions résultantes sont présentées et sont comparées aux méthodes utilisées précédemment qui nécessitent des connaissances du domaine acoustique. Finalement, on analyse la capacité de généralisation des fonctions de bases apprises par rapport à trois paramètres musicaux: l’amplitude, la durée et le type d’instrument. Pour ce faire, on introduit deux algorithmes d’étiquetage des fonctions de bases qui performent mieux que l’approche précédente dans la majorité de nos tests, la tâche d’instrument avec audio monophonique étant la seule exception importante.

La vulnérabilité face aux risques environnementaux à Kigali (Rwanda) : enjeux et facteurs

L’objectif de ce mémoire est de faire un état des lieux des connaissances produites sur les risques environnementaux et la vulnérabilité et appliquer ces connaissances à la ville de Kigali (Rwanda). Après avoir présenté différentes approches, nous avons retenu le cadre d’analyse qui s’inscrit dans l’approche de J.C. Thouret et R.D’Ercole (1996). Cette approche est articulée autour de trois dimensions : enjeux, facteurs de la vulnérabilité et réponses sociales. A travers l’application des éléments pertinents de ces trois dimensions dans le cas de la ville de Kigali, réalisée grâce à une analyse qualitative, centrée sur l’analyse des documents et des entrevues semi-dirigées, voici les principaux résultats que nous avons obtenus: l’analyse des enjeux a révélé que la ville de Kigali est confrontée à plusieurs dommages, parmi lesquels, on peut mentionner les pertes des vies humaines, la démolition des maisons, la contamination des rivières, la prolifération des maladies et la perturbation des besoins de base ( eau potable, électricité, transport) dues aux risques. Cette situation s’explique par la combinaison de plusieurs facteurs dont le relief collinaire, le sol granitique, les pluies violentes, le caractère centrifuge du réseau hydrographique, le sous-dimensionnement des ouvrages d’évacuation et le réseau d’assainissement insuffisant. D’autres facteurs amplifient la vulnérabilité dont l’explosion démographique consécutive à une urbanisation spontanée et inconsciente en zones inondables, l’ensablement des lits des rivières, le vide juridique, les politiques fragmentaires et le dysfonctionnement des acteurs impliqués dans la gestion des risques. Cette situation aurait probablement été améliorée si les réponses sociales étaient efficaces. Or, d’un côté, la faible perception de risque chez les résidants affectés par les risques accélère davantage la vulnérabilité et de l’autre côté, l’intervention significative des CIB n’est pas accompagnée d’actions complémentaires des institutions publiques et des agences internationales.