Origin of Genes

We discuss two tests of the hypothesis that the first genes were assembled from exons. The hypothesis of exon shuffling in the progenote predicts that intron phases will be correlated so that exons will be an integer number of codons and predicts that the exons will be correlated with compact regions of polypeptide chain. These predictions have been tested on ancient conserved proteins (proteins without introns in prokaryotes but with introns in eukaryotes) and hold with high statistical significance. We conclude that introns are correlated with compact features of proteins 15-, 22-, or 30-amino acid residues long, as was predicted by “The Exon Theory of Genes.”

Biological impact on mineral dissolution: Application of the lichen model to understanding mineral weathering in the rhizosphere

Microorganisms modify rates and mechanisms of chemical and physical weathering and clay growth, thus playing fundamental roles in soil and sediment formation. Because processes in soils are inherently complex and difficult to study, we employ a model based on the lichen–mineral system to identify the fundamental interactions. Fixed carbon released by the photosynthetic symbiont stimulates growth of fungi and other microorganisms. These microorganisms directly or indirectly induce mineral disaggregation, hydration, dissolution, and secondary mineral formation. Model polysaccharides were used to investigate direct mediation of mineral surface reactions by extracellular polymers. Polysaccharides can suppress or enhance rates of chemical weathering by up to three orders of magnitude, depending on the pH, mineral surface structure and composition, and organic functional groups. Mg, Mn, Fe, Al, and Si are redistributed into clays that strongly adsorb ions. Microbes contribute to dissolution of insoluble secondary phosphates, possibly via release of organic acids. These reactions significantly impact soil fertility. Below fungi–mineral interfaces, mineral surfaces are exposed to dissolved metabolic byproducts. Through this indirect process, microorganisms can accelerate mineral dissolution, leading to enhanced porosity and permeability and colonization by microbial communities.

Ergodic theorems along sequences and Hardy fields.

Let a(x) be a real function with a regular growth as x --> infinity. [The precise technical assumption is that a(x) belongs to a Hardy field.] We establish sufficient growth conditions on a(x) so that the sequence ([a(n)])(infinity)(n=1) is a good averaging sequence in L2 for the pointwise ergodic theorem. A sequence (an) of positive integers is a good averaging sequence in L2 for the pointwise ergodic theorem if in any dynamical system (Omega, Sigma, m, T) for f [symbol, see text] in L2(Omega) the averages [equation, see text] converge for almost every omicron in. Our result implies that sequences like ([ndelta]), where delta > 1 and not an integer, ([n log n]), and ([n2/log n]) are good averaging sequences for L2. In fact, all the sequences we examine will turn out to be good averaging for Lp, p > 1; and even for L log L. We will also establish necessary and sufficient growth conditions on a(x) so that the sequence ([a(n)]) is good averaging for mean convergence. Note that for some a(x) (e.g., a(x) = log2 x), ([a(n)]) may be good for mean convergence without being good for pointwise convergence.

Planejamento de sistemas de distribuição de energia elétrica considerando questões de confiabilidade e risco

O problema de Planejamento da Expansão de Sistemas de Distribuição (PESD) visa determinar diretrizes para a expansão da rede considerando a crescente demanda dos consumidores. Nesse contexto, as empresas distribuidoras de energia elétrica têm o papel de propor ações no sistema de distribuição com o intuito de adequar o fornecimento da energia aos padrões exigidos pelos órgãos reguladores. Tradicionalmente considera-se apenas a minimização do custo global de investimento de planos de expansão, negligenciando-se questões de confiabilidade e robustez do sistema. Como consequência, os planos de expansão obtidos levam o sistema de distribuição a configurações que são vulneráveis a elevados cortes de carga na ocorrência de contingências na rede. Este trabalho busca a elaboração de uma metodologia para inserir questões de confiabilidade e risco ao problema PESD tradicional, com o intuito de escolher planos de expansão que maximizem a robustez da rede e, consequentemente, atenuar os danos causados pelas contingências no sistema. Formulou-se um modelo multiobjetivo do problema PESD em que se minimizam dois objetivos: o custo global (que incorpora custo de investimento, custo de manutenção, custo de operação e custo de produção de energia) e o risco de implantação de planos de expansão. Para ambos os objetivos, são formulados modelos lineares inteiros mistos que são resolvidos utilizando o solver CPLEX através do software GAMS. Para administrar a busca por soluções ótimas, optou-se por programar em linguagem C++ dois Algoritmos Evolutivos: Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-2 (NSGA2) e Strength Pareto Evolutionary Algorithm-2 (SPEA2). Esses algoritmos mostraram-se eficazes nessa busca, o que foi constatado através de simulações do planejamento da expansão de dois sistemas testes adaptados da literatura. O conjunto de soluções encontradas nas simulações contém planos de expansão com diferentes níveis de custo global e de risco de implantação, destacando a diversidade das soluções propostas. Algumas dessas topologias são ilustradas para se evidenciar suas diferenças.

Determining departure times in dynamic and stochastic maritime routing and scheduling problem

In maritime transportation, decisions are made in a dynamic setting where many aspects of the future are uncertain. However, most academic literature on maritime transportation considers static and deterministic routing and scheduling problems. This work addresses a gap in the literature on dynamic and stochastic maritime routing and scheduling problems, by focusing on the scheduling of departure times. Five simple strategies for setting departure times are considered, as well as a more advanced strategy which involves solving a mixed integer mathematical programming problem. The latter strategy is significantly better than the other methods, while adding only a small computational effort.

Preparação, caracterização e propriedades de lipossomas contendo o ácido -ciano-4-hidroxicinâmico e o agente fotossenbilizador AICIPc: um novo sistema carreador específico com ação sinérgica aplicado a terapia fotodinâmica

Ftalocianina de alumínio-cloro (AlClPc) é um fotossensibilizador de segunda geração em terapia fotodinâmica (TFD) caracterizado por seu caráter anfifílico e tendência de auto-agregação em meio aquoso, o que prejudica seu potencial de aplicação. O aCHC é um substrato de transportadores de monocarboxilato (MCT) superexpresso em células de MCF-7. Objetivando a solubilização da AlClPc e aumento de internalização em tecidos neoplásicos nos propomos aqui o uso de DSPC e DOPC em diferentes proporções para formar vesículas lipidicas mistas (LV) na presença de aCHC como sistemas veiculadores de fármaco. Lv foi preparado pelo método de injeção etanólica e formou vesículas de dimensões nanométricas (aproximadamente 100 nm) com bom índice de polidispersão, valores negativos de potencial zeta e estáveis em meio aquoso por mais de 50 dias. AlClPc se complexou com o fosfato das LV o que conferiu uma localização interfacial às moléculas de AlClPc como demonstrado pelos resultados de supressão de fluorescência. Medidas de anisotropia, fluorescência estática e resolvida no tempo corroboram com estes resultados e demonstram que a auto-agregação da AlClPc ocorre mesmo em lipossomas. Entretanto, a veiculação da AlClPc por LV em carcinoma de células escamosas oral (OSCC) levou a um processo de desagregação demonstrado por (FLIM). Este incrível comportamento é novo e aumenta o conhecimento científico sobre o mecanismo intracelular de ação de fotossensibilizadores em TFD. Em TFD, ambos os sistemas LVIII+AlClPc e LVIII+AlClPc+aCHC não apresentaram toxicidade no escuro no período de incubação de 3 h com as concentrações de lipídios, AlClPc e aCHC iguais a 0,15 mmol/L, 0,5 umol/L e 10,0 umol/L, respectivamente. De maneira inesperada, o sistema LVIII+AlClPc foi mais eficiente em TFD que o sistema LVIII+AlClPc+aCHC, devido ao caráter antioxidante do aCHC. Estes resultados abrem uma nova perspectiva do potencial uso de LV-AlClPc para o tratamento fotodinâmico.

Otimização não linear aplicada à operação de sistemas com múltiplos reservatórios para abastecimento de água.

O presente estudo considera a aplicação do modelo SISAGUA de simulação matemática e de otimização para a operação de sistemas de reservatórios integrados em sistemas complexos para o abastecimento de água. O SISAGUA utiliza a programação não linear inteira mista (PNLIM) com os objetivos de evitar ou minimizar racionamentos, equilibrar a distribuição dos armazenamentos em sistemas com múltiplos reservatórios e minimizar os custos de operação. A metodologia de otimização foi aplicada para o sistema produtor de água da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), que enfrenta a crise hídrica diante de um cenário de estiagem em 2013-2015, o pior na série histórica dos últimos 85 anos. Trata-se de uma região com 20,4 milhões de habitantes. O sistema é formado por oito sistemas produtores parcialmente integrados e operados pela Sabesp (Companhia de Saneamento do Estado de São Paulo). A RMSP é uma região com alta densidade demográfica, localizada na Bacia Hidrográfica do Alto Tietê e caracterizada pela baixa disponibilidade hídrica per capita. Foi abordada a possibilidade de considerar a evaporação durante as simulações, e a aplicação de uma regra de racionamento contínua nos reservatórios, que transforma a formulação do problema em programação não linear (PNL). A evaporação se mostrou pouco representativa em relação a vazão de atendimento à demanda, com cerca de 1% da vazão. Se por um lado uma vazão desta magnitude pode contribuir em um cenário crítico, por outro essa ordem de grandeza pode ser comparada às incertezas de medições ou previsões de afluências. O teste de sensibilidade das diferentes taxas de racionamento em função do volume armazenado permite analisar o tempo de resposta de cada sistema. A variação do tempo de recuperação, porém, não se mostrou muito significativo.

Optimización (curso 2011-2012)

Material docente de la asignatura «Simulación y Optimización de procesos químicos». Parte de Optimización OPTIMIZACIÓN TEMA 6. Conceptos Básicos 6.1 Introducción. Desarrollo histórico de la optimización de procesos. 6.2 Funciones y regiones cóncavas y convexas. 6.3 Optimización sin restricciones. 6.4 Optimización con restricciones de igualdad y desigualdad. Condiciones de optimalidad de Karush Khun Tucker 6.5 Interpretación de los Multiplicadores de Lagrange. TEMA 7. Programación lineal 7.1 Introducción. Planteamiento del problema en forma canónica y forma estándar. 7.2 Teoremas de la programación lineal 7.3 Resolución gráfica 7.4 Resolución en forma de tabla. El método simplex. 7.5 Variables artificiales. Método de la Gran M y método de las dos fases. 7.6 Conceptos básicos de dualidad. TEMA 8. Programación no lineal 8.1 Repaso de métodos numéricos de optimización sin restricciones 8.2 Optimización con restricciones. Fundamento de los métodos de programación cuadrática sucesiva y de gradiente reducido. TEMA 9. Introducción a la programación lineal y no lineal con variables discretas. 9.1 Conceptos básicos para la resolución de problemas lineales con variables discretas.(MILP, mixed integer linear programming) 9.2 Introducción a la programación no lineal con variables continuas y discretas (MINLP mixed integer non linear programming) 9.3 Modelado de problemas con variables binarias: 9.3.1 Conceptos básicos de álgebra de Boole 9.3.2 Transformación de expresiones lógicas a expresiones algebraicas 9.3.3 Modelado con variables discretas y continuas. Formulación de envolvente convexa y de la gran M.

Influencia del esquema aditivo en el desarrollo del razonamiento proporcional

El objetivo de este estudio es analizar la influencia del esquema aditivo en el desarrollo del razonamiento proporcional en estudiantes de educación secundaria. 558 estudiantes de educación secundaria respondieron a un cuestionario de problemas proporcionales y no proporcionales. Los resultados indican (i) que la capacidad de los estudiantes en identificar las relaciones proporcionales en los problemas proporcionales no implica necesariamente que sean capaces de identificar correctamente las relaciones aditivas en los problemas no proporcionales y viceversa; y (ii) que el tipo de relación multiplicativa entre las cantidades (entera o no entera) influía en el nivel de éxito en la resolución de los problemas proporcionales y no proporcionales.

Combined simulation-optimization methodology for the design of environmental conscious absorption systems

This work addresses the optimization of ammonia–water absorption cycles for cooling and refrigeration applications with economic and environmental concerns. Our approach combines the capabilities of process simulation, multi-objective optimization (MOO), cost analysis and life cycle assessment (LCA). The optimization task is posed in mathematical terms as a multi-objective mixed-integer nonlinear program (moMINLP) that seeks to minimize the total annualized cost and environmental impact of the cycle. This moMINLP is solved by an outer-approximation strategy that iterates between primal nonlinear programming (NLP) subproblems with fixed binaries and a tailored mixed-integer linear programming (MILP) model. The capabilities of our approach are illustrated through its application to an ammonia–water absorption cycle used in cooling and refrigeration applications.

Ferromagnetism mediated by few electrons in a semimagnetic quantum dot

A (II,Mn)VI diluted magnetic semiconductor quantum dot with an integer number of electrons controlled with a gate voltage is considered. We show that a single electron is able to induce a collective spontaneous magnetization of the Mn spins, overcoming the short range antiferromagnetic interactions, at a temperature order of 1 K, 2 orders of magnitude above the ordering temperature in bulk. The magnetic behavior of the dot depends dramatically on the parity of the number of electrons in the dot.

Storage of classical information in quantum spins

Digital magnetic recording is based on the storage of a bit of information in the orientation of a magnetic system with two stable ground states. Here we address two fundamental problems that arise when this is done on a quantized spin: quantum spin tunneling and backaction of the readout process. We show that fundamental differences exist between integer and semi-integer spins when it comes to both reading and recording classical information in a quantized spin. Our findings imply fundamental limits to the miniaturization of magnetic bits and are relevant to recent experiments where a spin-polarized scanning tunneling microscope reads and records a classical bit in the spin orientation of a single magnetic atom.

Simultaneous synthesis of heat exchanger networks with pressure recovery: optimal integration between heat and work

The optimal integration between heat and work may significantly reduce the energy demand and consequently the process cost. This paper introduces a new mathematical model for the simultaneous synthesis of heat exchanger networks (HENs) in which the pressure levels of the process streams can be adjusted to enhance the heat integration. A superstructure is proposed for the HEN design with pressure recovery, developed via generalized disjunctive programming (GDP) and mixed-integer nonlinear programming (MINLP) formulation. The process conditions (stream temperature and pressure) must be optimized. Furthermore, the approach allows for coupling of the turbines and compressors and selection of the turbines and valves to minimize the total annualized cost, which consists of the operational and capital expenses. The model is tested for its applicability in three case studies, including a cryogenic application. The results indicate that the energy integration reduces the quantity of utilities required, thus decreasing the overall cost.

Hybrid simulation-optimization based approach for the optimal design of single-product biotechnological processes

In this work, we present a systematic method for the optimal development of bioprocesses that relies on the combined use of simulation packages and optimization tools. One of the main advantages of our method is that it allows for the simultaneous optimization of all the individual components of a bioprocess, including the main upstream and downstream units. The design task is mathematically formulated as a mixed-integer dynamic optimization (MIDO) problem, which is solved by a decomposition method that iterates between primal and master sub-problems. The primal dynamic optimization problem optimizes the operating conditions, bioreactor kinetics and equipment sizes, whereas the master levels entails the solution of a tailored mixed-integer linear programming (MILP) model that decides on the values of the integer variables (i.e., number of equipments in parallel and topological decisions). The dynamic optimization primal sub-problems are solved via a sequential approach that integrates the process simulator SuperPro Designer® with an external NLP solver implemented in Matlab®. The capabilities of the proposed methodology are illustrated through its application to a typical fermentation process and to the production of the amino acid L-lysine.

Simultaneous synthesis of work exchange networks with heat integration

The optimal integration of work and its interaction with heat can represent large energy savings in industrial plants. This paper introduces a new optimization model for the simultaneous synthesis of work exchange networks (WENs), with heat integration for the optimal pressure recovery of process gaseous streams. The proposed approach for the WEN synthesis is analogous to the well-known problem of synthesis of heat exchanger networks (HENs). Thus, there is work exchange between high-pressure (HP) and low-pressure (LP) streams, achieved by pressure manipulation equipment running on common axes. The model allows the use of several units of single-shaft-turbine-compressor (SSTC), as well as stand-alone compressors, turbines and valves. Helper motors and generators are used to respond to any demand and excess of energy. Moreover, between the WEN stages the streams are sent to the HEN to promote thermal recovery, aiming to enhance the work integration. A multi-stage superstructure is proposed to represent the process. The WEN superstructure is optimized in a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) formulation and solved with the GAMS software, with the goal of minimizing the total annualized cost. Three examples are conducted to verify the accuracy of the proposed method. In all case studies, the heat integration between WEN stages is essential to improve the pressure recovery, and to reduce the total costs involved in the process.