Compositional differences within and between eukaryotic genomes

Eukaryotic genome similarity relationships are inferred using sequence information derived from large aggregates of genomic sequences. Comparisons within and between species sample sequences are based on the profile of dinucleotide relative abundance values (The profile is ρ*XY = f*XY/f*Xf*Y for all XY, where f*X denotes the frequency of the nucleotide X and f*XY denotes the frequency of the dinucleotide XY, both computed from the sequence concatenated with its inverted complement). Previous studies with respect to prokaryotes and this study document that profiles of different DNA sequence samples (sample size ≥50 kb) from the same organism are generally much more similar to each other than they are to profiles from other organisms, and that closely related organisms generally have more similar profiles than do distantly related organisms. On this basis we refer to the collection {ρ*XY} as the genome signature. This paper identifies ρ*XY extremes and compares genome signature differences for a diverse range of eukaryotic species. Interpretations on the mechanisms maintaining these profile differences center on genome-wide replication, repair, DNA structures, and context-dependent mutational biases. It is also observed that mitochondrial genome signature differences between species parallel the corresponding nuclear genome signature differences despite large differences between corresponding mitochondrial and nuclear signatures. The genome signature differences also have implications for contrasts between rodents and other mammals, and between monocot and dicot plants, as well as providing evidence for similarities among fungi and the diversity of protists.

A model for individual and collective cell movement in Dictyostelium discoideum

The cellular slime mold Dictyostelium discoideum is a widely used model system for studying a variety of basic processes in development, including cell–cell signaling, signal transduction, pattern formation, cell motility, and the movement of tissue-like aggregates of cells. Many aspects of cell motion are poorly understood, including how individual cell behavior produces the collective motion of cells observed within the mound and slug. Herein, we describe a biologically realistic model for motile D. discoideum cells that can generate active forces, that interact via surface molecules, and that can detect and respond to chemotactic signals. We model the cells as deformable viscoelastic ellipsoids and incorporate signal transduction and cell–cell signaling by using a previously developed model. The shape constraint restricts the admissible deformations but makes the simulation of a large number of interacting cells feasible. Because the model is based on known processes, the parameters can be estimated or measured experimentally. We show that this model can reproduce the observations on the chemotactic behavior of single cells, streaming during aggregation, and the collective motion of an aggregate of cells driven by a small group of pacemakers. The model predicts that the motion of two-dimensional slugs [Bonner, J. T. (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 9355–9359] results from the same behaviors that are exhibited by individual cells; it is not necessary to invoke different mechanisms or behaviors. Our computational experiments also suggest previously uncharacterized phenomena that may be experimentally observable.

F-spondin is a contact-repellent molecule for embryonic motor neurons

The floor plate plays a key role in patterning axonal trajectory in the embryonic spinal cord by providing both long-range and local guidance cues that promote or inhibit axonal growth toward and across the ventral midline of the spinal cord, thus acting as an intermediate target for a number of crossing (commissural) and noncrossing (motor) axons. F-spondin, a secreted adhesion molecule expressed in the embryonic floor plate and the caudal somite of birds, plays a dual role in patterning the nervous system. It promotes adhesion and outgrowth of commissural axons and inhibits adhesion of neural crest cells. In the current study, we demonstrate that outgrowth of embryonic motor axons also is inhibited by F-spondin protein in a contact-repulsion fashion. Three independent lines of evidence support our hypothesis: substrate-attached F-spondin inhibits outgrowth of dissociated motor neurons in an outgrowth assay; F-spondin elicits acute growth cone collapse when applied to cultured motor neurons; and challenging ventral spinal cord explants with aggregates of HEK 293 cells expressing F-spondin, causes contact-repulsion of motor neurites. Structural–functional studies demonstrate that the processed carboxyl-half protein that contains the thrombospondin type 1 repeats is more prominent in inhibiting outgrowth, suggesting that the processing of F-spondin is important for enhancing its inhibitory activity.

Does the granular matter?

Granular materials, such as sand, gravel, powders, and pharmaceutical pills, are large aggregates of macroscopic, individually solid particles, or “grains.” Far from being simple materials with simple properties, they display an astounding range of complex behavior that defies their categorization as solid, liquid, or gas. Just consider how sand can stream through the orifice of an hourglass yet support one's weight on the beach; how it can form patterns strikingly similar to a liquid when vibrated, yet respond to stirring by “unmixing” of large and small grains. Despite much effort, there still is no comprehensive understanding of other forms of matter, like ordinary fluids or solids. In what way, therefore, is granular matter special, and what makes it so difficult to understand? An emerging interdisciplinary approach to answering these questions focuses directly on the material's discontinuous granular nature.

Directionality principles in thermodynamics and evolution

Directionality in populations of replicating organisms can be parametrized in terms of a statistical concept: evolutionary entropy. This parameter, a measure of the variability in the age of reproducing individuals in a population, is isometric with the macroscopic variable body size. Evolutionary trends in entropy due to mutation and natural selection fall into patterns modulated by ecological and demographic constraints, which are delineated as follows: (i) density-dependent conditions (a unidirectional increase in evolutionary entropy), and (ii) density-independent conditions, (a) slow exponential growth (an increase in entropy); (b) rapid exponential growth, low degree of iteroparity (a decrease in entropy); and (c) rapid exponential growth, high degree of iteroparity (random, nondirectional change in entropy). Directionality in aggregates of inanimate matter can be parametrized in terms of the statistical concept, thermodynamic entropy, a measure of disorder. Directional trends in entropy in aggregates of matter fall into patterns determined by the nature of the adiabatic constraints, which are characterized as follows: (i) irreversible processes (an increase in thermodynamic entropy) and (ii) reversible processes (a constant value for entropy). This article analyzes the relation between the concepts that underlie the directionality principles in evolutionary biology and physical systems. For models of cellular populations, an analytic relation is derived between generation time, the average length of the cell cycle, and temperature. This correspondence between generation time, an evolutionary parameter, and temperature, a thermodynamic variable, is exploited to show that the increase in evolutionary entropy that characterizes population processes under density-dependent conditions represents a nonequilibrium analogue of the second law of thermodynamics.

Embryonic mesoderm cells spread in response to platelet-derived growth factor and signaling by phosphatidylinositol 3-kinase.

Abnormal mesoderm movement, leading to defects in axial organization, is observed in mouse and Xenopus laevis embryos deprived of platelet-derived growth factor (PDGF) AA signaling. However, neither the cellular response to PDGF nor the signaling pathways involved are understood. Herein we describe an in vitro assay to examine the direct effect of PDGF AA on aggregates of Xenopus embryonic mesoderm cells. We find that PDGF AA stimulates aggregates to spread on fibronectin. This behavior is similar to that of migrating mesoderm cells in vivo that spread and form lamellipodia and filipodia on contact with fibronectin-rich extracellular matrix. We go on to show two lines of evidence that implicate phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) as an important component of PDGF-induced mesoderm cell spreading. (i) The fungal metabolite wortmannin, which inhibits signaling by PI3K, blocks mesoderm spreading in response to PDGF AA. (ii) Activation of a series of receptors with specific tyrosine-to-phenylalanine mutations revealed PDGF-induced spreading of mesoderm cells depends on PI3K but not on other signaling molecules that interact with PDGF receptors including phospholipase C gamma, Ras GTPase-activating protein, and phosphotyrosine phosphatase SHPTP2. These results indicate that a PDGF signal, medicated by PI3K, can facilitate embryonic mesoderm cell spreading on fibronectin. We propose that PDGF, produced by the ectoderm, influences the adhesive properties of the adjacent mesoderm cells during gastrulation.

Spontaneous diabetes mellitus in transgenic mice expressing human islet amyloid polypeptide.

The islet in non-insulin-dependent diabetes mellitus (NIDDM) is characterized by loss of beta cells and large local deposits of amyloid derived from the 37-amino acid protein, islet amyloid polypeptide (IAPP). We have hypothesized that IAPP amyloid forms intracellularly causing beta-cell destruction under conditions of high rates of expression. To test this we developed a homozygous transgenic mouse model with high rates of expression of human IAPP. Male transgenic mice spontaneously developed diabetes mellitus by 8 weeks of age, which was associated with selective beta-cell death and impaired insulin secretion. Small intra- and extracellular amorphous IAPP aggregates were present in islets of transgenic mice during the development of diabetes mellitus. However, IAPP derived amyloid deposits were found in only a minority of islets at approximately 20 weeks of age, notably after development of diabetes mellitus in male transgenic mice. Approximately 20% of female transgenic mice spontaneously developed diabetes mellitus at 30+ weeks of age, when beta-cell degeneration and both amorphous and amyloid deposits of IAPP were present. We conclude that overexpression of human IAPP causes beta-cell death, impaired insulin secretion, and diabetes mellitus. Large deposits of IAPP derived amyloid do not appear to be important in this cytotoxicity, but early, small amorphous intra- and extracellular aggregates of human IAPP were consistently present at the time of beta-cell death and therefore may be the most cytotoxic form of IAPP.

Avaliação da integridade estrutural de elementos de concreto armado a partir das propriedades modais obtidas por técnicas de excitações aleatórias e transientes

A análise dinâmica experimental tem sido amplamente pesquisada como uma ferramenta de avaliação de integridade de estruturas de concreto armado. Existem técnicas de identificação de danos baseadas em propriedades modais como frequências de ressonâncias, deformadas modais, curvaturas modais e amortecimento. Há também técnicas baseadas na não linearidade da resposta dinâmica, que apesar do grande potencial na detecção de danos, têm sido pouco exploradas nos últimos anos. Este trabalho tem por objetivo avaliar a integridade estrutural de vigas de concreto armado através do comportamento da resposta dinâmica. Foram realizados ensaios dinâmicos em duas vigas de concreto armado com 3,5 m de comprimento, 25 cm de largura, 35 cm de altura e idênticas taxas de armaduras, mas configuradas com barras de aço de diferentes diâmetros, 2 ϕ 16 mm e 8 ϕ 8 mm, respectivamente. Tais vigas, inicialmente íntegras, foram submetidas a ciclos de carregamento e descarregamento com intensidades crescentes até atingir a ruptura do elemento. Após cada ciclo, as propriedades dinâmicas foram avaliadas experimentalmente, com o emprego de técnicas de excitação por sinais do tipo aleatório e tipo transiente, respectivamente, visando determinar parâmetros que indiquem a deterioração gradativa do elemento. Nesses ensaios dinâmicos aplicaram-se diferentes amplitudes da força de excitação. Verificou-se que o aumento da amplitude da força dinâmica de excitação provocou reduções nos valores das frequências de ressonância de 1,1% e 2,4%, associadas, respectivamente, às excitações aleatórias e transientes; e um comportamento não linear dos índices de amortecimento, associados às excitações aleatórias, mantendo um crescimento linear com as excitações transientes. Constatou-se, ainda, que os valores das frequências de ressonância decrescem com a redução de rigidez mecânica, diminuída com o aumento do nível de fissuração induzido nos modelos. Já os valores dos índices de amortecimento, após cada ciclo, se comportaram de forma não linear e assumiram diferentes valores, conforme a técnica de excitação empregada. Acredita-se que esta não linearidade está relacionada aos danos provocados no elemento pela solicitação estrutural e, por consequência, ao processo de como a dissipação de energia é empregada no processo de instauração, configuração e propagação das fissuras nos elementos de concreto armado.

Influência do confinamento na resistência e ductilidade de pilares curtos de concreto de ultra alta resistência submetidos à compressão centrada

Neste estudo foram analisados experimentalmente o comportamento de 24 pilares curtos de Concreto de Ultra Alta Resistência - CUAR, confinados por armaduras helicoidais, avaliando especificamente os acréscimos de resistência e ductilidade obtidos com diferentes níveis de pressão lateral de confinamento. Na etapa experimental foram realizados ensaios de pilares curtos de CUAR com as seguintes características: - seção circular de 7,2 cm de diâmetro e comprimento de 23 cm, e quatro níveis de resistência à compressão do concreto sendo eles, 165, 175, 200 e 229 MPa, dosados sem e com adição de fibras metálicas; - diferentes espaçamentos das armaduras helicoidais, de modo que fossem obtidas situações com baixo, médio e alto índice de confinamento e taxa de armadura longitudinal fixa. Os ensaios de compressão centrada foram realizados com controle de deslocamento, de modo que foram obtidas as curvas força x deslocamento completas. Constatou-se que a seção resistente dos pilares de CUAR é a formada pelo núcleo de concreto confinado, área delimitada pelo eixo da armadura transversal. Observou-se que o CUAR com fibras metálicas apresenta maior deformação do núcleo de concreto confinado em relação ao núcleo de concreto confinado de CUAR sem adição de fibras metálicas, indicando dessa forma, que os pilares de CUAR com fibras metálicas apresentam comportamento mais dúctil. Para as situações de alto confinamento foram gerados ao concreto do núcleo confinado significativos acréscimos de resistência e deformação axial, aumentando a resistência do concreto confinado em relação a resistência do concreto não confinado em: 82,26%, 75,34%, 90,46% e 70,51%, respectivamente, e as deformações axiais do concreto confinado em relação a deformação axial do concreto não confinado em: 433%, 474%, 647% e 550%. Finalmente, acredita-se que os resultados obtidos poderão trazer subsídios para aplicações futuras desta técnica de confinamento na construção de novos elementos estruturais e no reforço de pilares submetidos a elevados níveis de solicitação axial.

Comportamento de chumbadores embutidos em concreto com fibras de aço para ligações viga-pilar de concreto pré-moldado

O presente trabalho trata do estudo do comportamento de chumbadores grauteados inseridos em concreto com fibras de aço em ligações viga-pilar de estruturas de concreto pré-moldado. Este estudo é importante para se entender e poder quantificar a influência da rigidez deste componente no comportamento de ligações semirrígidas de estruturas de concreto pré-moldado. O objetivo do trabalho é estudar o mecanismo do chumbador no concreto com fibras de aço em ensaios específicos e avaliar também o comportamento de uma ligação viga-pilar de concreto pré-moldado utilizando estas fibras no consolo e no dente da viga. Nesta pesquisa foi realizado um programa experimental no Laboratório de Estruturas da EESC, uma análise numérica com o emprego do software DIANA® e uma comparação com formulações analíticas existentes para o cálculo da força última destes componentes. Foram ensaiados nove modelos experimentais para avaliar especificamente o mecanismo resistente do chumbador, variando-se os diâmetros das barras, sua inclinação e a porcentagem de fibras de aço no concreto. Além destes modelos, foi realizado ensaio de uma ligação viga-pilar de concreto pré-moldado para avaliar a rigidez da ligação com chumbador inserido em concreto com fibras de aço. Nos ensaios experimentais dos chumbadores observou-se que modelos com concreto com fibras de aço apresentam rigidez até 25% maior se comparado ao modelo com concreto convencional. Verificou-se que o graute utilizado para solidarizar os chumbadores exerce significativa influência na capacidade última do modelo, podendo diminuir em cerca de 30% a capacidade de carga. A ligação viga-pilar de concreto pré-moldado utilizando concreto com fibras de aço no consolo e no dente da viga se comportou de maneira satisfatória, não apresentando fissuração na interface dos diferentes concretos. Na comparação dos modelos ensaiados com as formulações teóricas extraídas de trabalhos de referência verificou-se que, para os modelos específicos de chumbador, a formulação existente é representativa. Para a ligação viga-pilar, alguns ajustes na formulação analítica se fizeram necessários para considerações de efeitos de grupo e de borda observados e decorrentes da utilização de dois chumbadores na ligação proposta neste trabalho.

Reaproveitamento de lamas residuais do processo de fabricação do concreto.

Nos dias atuais, um dos maiores problemas de uma central dosadora de concreto são as sobras de resíduos de concretos que retornam nos caminhões, das obras gerando lamas decantadas com pH elevado caracterizando-a como resíduo perigoso e representando gastos elevados com destinação. O objetivo do presente trabalho visa estudar em detalhes a composição da lama residual do processo de fabricação do concreto excluindo o agregado graúdo, verificando qual é a influência de sua adição no concreto. Com isso, pretende-se estudar algumas formas de tratamento e viabilizar economicamente o seu reaproveitamento em substituição ao agregado miúdo. Para esse estudo foram coletadas duas amostras desse material cimentício, sendo uma coletada diretamente do tanque de decantação e a segunda coletada da própria lavagem dos caminhões betoneiras. Elas foram submetidas a ensaios de caracterização como: análise termogravimétrica (TG), granulometria a laser e calorimetria e ensaios de concreto fresco (reologia e abatimento) e concreto endurecido. Para a viabilização econômica foi realizado um estudo de caso em três centrais dosadoras de concreto, afim de identificar perdas de materiais, custos de destinação e custo variável na fabricação de concreto. Os resultados mostraram que a forma de coleta do material cimentício influencia na finura do material conforme ensaio de granulometria e densidade aparente, mas não foi possível obter cimento anidro. A possibilidade de utilização da lama em concretos foi possível com ajuda de aditivos superplastificantes, mas para a viabilização economicamente viável a cadeia produtiva do concreto estudou-se um teor ótimo de substituição da lama pelo agregado miúdo.

Avaliação do ciclo de vida de blocos de concreto do mercado brasileiro: alvenaria e pavimentação.

A construção civil é responsável por relevante impacto ao meio ambiente, da extração das materiais-primas até a disposição dos seus resíduos em aterros. A avaliação do ciclo de vida (ACV) é uma ferramenta que possibilita a estimativa dos impactos ambientais potenciais do setor de forma sistemática. A simplificação da ACV, pelo uso de dados secundários e redução do escopo do estudo, facilita sua implementação como ferramenta de promoção da sustentabilidade. O objetivo dessa dissertação é estimar faixas dos cinco principais indicadores do setor de blocos de concreto do mercado brasileiro pela simplificação da ACV: consumo de materiais, energia incorporada, emissão de CO2, água e geração de resíduos. Este estudo foi o piloto do Projeto ACV Modular, iniciativa do Conselho Brasileiro de Construção Sustentável em parceria da Associação Brasileira de Cimento Portland e da Associação Brasileira da Indústria de Blocos de Concreto. O inventário foi desenvolvido com 33 fábricas localizadas em diferentes regiões do Brasil, estas sendo responsáveis por aproximadamente 50% da produção nacional. Os produtos selecionados foram blocos para pavimentação e alvenaria (estruturais e de vedação) considerados mais representativos no mercado. A fronteira do sistema adotada foi do berço ao portão da fábrica. O indicador de consumo de materiais não foi apresentado para garantir a confidencialidade dos dados das empresas, pois o teor de cimento foi dado direto informado no formulário. O indicador de resíduos não pode ser gerado devido a diferentes interpretações adotadas pelos fabricantes ao registrar seus dados. O indicador de água, apesar de incluir todo o consumo informado pela fábrica, apresentou valores muito baixos, alguns próximos a zero. O consumo de cimento, não o teor de clínquer, foi responsável por parcela significativa do CO2 e da energia incorporada do bloco, com participação de 62 a 99% das emissões de CO2. Assim, entre as empresas analisadas, mesmo com igual rota tecnológica, os insumos utilizados, a formulação do concreto, a eficiência de compactação da vibro prensa e o sistema produtivo tiveram maior influência nos indicadores de materiais, energia e CO2.

Estudio de la fluencia de una calcarenita: la Piedra de San Julián (Alicante)

La fluencia de las rocas tiene gran importancia en la evaluación del comportamiento a largo plazo de elementos construidos con estos materiales. En este trabajo, se ha caracterizado física y mecánicamente una calcarenita porosa bien conocida localmente como Piedra de San Julián. Se han realizado ensayos de compresión uniaxial de 96 h. a carga constante. Se ha utilizado un modelo de fluencia bien conocido, el Código-modelo CEB-FIP 2010, usado para modelizar otro material pétreo (hormigón). Además, se ha propuesto un modelo reológico. El objetivo principal de este trabajo es investigar la posibilidad de aprovechar la gran experiencia acumulada en el estudio del hormigón, con el fin de obtener un enfoque para el comportamiento de la roca, para tiempos de prueba muy largos difíciles de implementar en laboratorio. Se propone una función de fluencia adaptada a la roca estudiada dependiente sólo de sus características elásticas y mecánicas.

Uso potencial de ceniza de lodo de depuradora como sustitución de árido fino en bloques de hormigón prefabricados

El presente artículo se centra en la valorización de las cenizas de lodo de depuradora adicionadas en bloques de hormigón prefabricados, por tanto, en una matriz a base de cemento Portland con características particulares (consistencia seca). Se realiza una experiencia piloto mediante la fabricación de bloques en una planta industrial local, utilizando mezclas con porcentajes de sustitución de árido fino del 5, 10 y 15% por cenizas de lodo de depuradora, cuyos resultados se compararán con bloques de referencia (sin adición). Los ensayos aplicados son los preceptivos para su comercialización según normativa europea (marcado CE), lo que permitirá igualmente comprobar las características físicas y mecánicas de los hormigones. Los resultados obtenidos son prometedores: la utilización de este residuo permitiría su comercialización, mejora características de los bloques como la resistencia a compresión, y permitiría reducir un gran volumen de material utilizado habitualmente como materia prima y consumir un residuo destinado a vertedero.

Огляд наукових досліджень в галузі вивчення напружено-деформованого стану трубобетонних конструкцій

The paper presents an analytical review of the literature, which reflects the results of national and foreign scientific researches aimed to studying the features of the composition and dosage of components of self compacting concrete as one of the most promising aggregate for modern composite structures. In addition, the results of numerical and experimental researches of stress-strain state of composite structures (concrete-filled tubes) under the influence of various power factors, have been considered. The description and features of existing analytical methods for the determination of the bearing capacity of the considered structures under compression and bendings, have been given. The analysis of deformation model of confined concrete in a composition of the composite structure, as well as non-linear models of steel works with their distinctive features, has been carried out. The main approaches to the finite element modeling of composite structures have been determined.