Interfacial self-assembly of a bacterial hydrophobin

The majority of bacteria in the natural environment live within the confines of a biofilm. The Gram-positive bacterium Bacillus subtilis forms biofilms that exhibit a characteristic wrinkled morphology and a highly hydrophobic surface. A critical component in generating these properties is the protein BslA, which forms a coat across the surface of the sessile community. We recently reported the structure of BslA, and noted the presence of a large surface-exposed hydrophobic patch. Such surface patches are also observed in the class of surface-active proteins known as hydrophobins, and are thought to mediate their interfacial activity. However, although functionally related to the hydrophobins, BslA shares no sequence nor structural similarity, and here we show that the mechanism of action is also distinct. Specifically, our results suggest that the amino acids making up the large, surface-exposed hydrophobic cap in the crystal structure are shielded in aqueous solution by adopting a random coil conformation, enabling the protein to be soluble and monomeric. At an interface, these cap residues refold, inserting the hydrophobic side chains into the air or oil phase and forming a three-stranded β-sheet. This form then self-assembles into a well-ordered 2D rectangular lattice that stabilizes the interface. By replacing a hydrophobic leucine in the center of the cap with a positively charged lysine, we changed the energetics of adsorption and disrupted the formation of the 2D lattice. This limited structural metamorphosis represents a previously unidentified environmentally responsive mechanism for interfacial stabilization by proteins.

[review] Ulrich LEISINGER (ED.), Bach: Messe in h-Moll BWV 232 (Stuttgart: Carus, [2014]), 312 pp + 1 DVD-ROM, ISMN: 9790007142599, €199

This latest edition of J. S. Bach’s B-minor Mass, by Ulrich Leisinger, described by the publisher as a ‘hybrid edition’, aptly addresses the needs of present-day performers and at the same time fulfils the scholarly expectations of new critical editions to conform to the current study environment

Two-Year Monitoring of Water Samples from Dam of Iskar and the Black Sea, Bulgaria, by Molecular Analysis: Focus on Mycobacterium spp

The coast of the Bulgarian Black Sea is a popular summer holiday destination. The Dam of Iskar is the largest artificial dam in Bulgaria, with a capacity of 675 million m3. It is the main source of tap water for the capital Sofia and for irrigating the surrounding valley. There is a close relationship between the quality of aquatic ecosystems and human health as many infections are waterborne. Rapid molecular methods for the analysis of highly pathogenic bacteria have been developed for monitoring quality. Mycobacterial species can be isolated from waste, surface, recreational, ground and tap waters and human pathogenicity of nontuberculose mycobacteria (NTM) is well recognized. The objective of our study was to perform molecular analysis for key-pathogens, with a focus on mycobacteria, in water samples collected from the Black Sea and the Dam of Iskar. In a two year period, 38 water samples were collected-24 from the Dam of Iskar and 14 from the Black Sea coastal zone. Fifty liter water samples were concentrated by ultrafiltration. Molecular analysis for 15 pathogens, including all species of genus Mycobacterium was performed. Our results showed presence of Vibrio spp. in the Black Sea. Rotavirus A was also identified in four samples from the Dam of Iskar. Toxigenic Escherichia coli was present in both locations, based on markers for stx1 and stx2 genes. No detectable amounts of Cryptosporidium were detected in either location using immunomagnetic separation and fluorescence microscopy. Furthermore, mass spectrometry analyses did not detect key cyanobacterial toxins. On the basis of the results obtained we can conclude that for the period 2012-2014 no Mycobacterium species were present in the water samples. During the study period no cases of waterborne infections were reported.

Explaining the Coexistence of Large-scale and Small-scale Magnetic Fields in Fully Convective Stars

Despite the lack of a shear-rich tachocline region, low-mass fully convective (FC) stars are capable of generating strong magnetic fields, indicating that a dynamo mechanism fundamentally different from the solar dynamo is at work in these objects. We present a self-consistent three-dimensional model of magnetic field generation in low-mass FC stars. The model utilizes the anelastic magnetohydrodynamic equations to simulate compressible convection in a rotating sphere. A distributed dynamo working in the model spontaneously produces a dipole-dominated surface magnetic field of the observed strength. The interaction of this field with the turbulent convection in outer layers shreds it, producing small-scale fields that carry most of the magnetic flux. The Zeeman–Doppler-Imaging technique applied to synthetic spectropolarimetric data based on our model recovers most of the large-scale field. Our model simultaneously reproduces the morphology and magnitude of the large-scale field as well as the magnitude of the small-scale field observed on low-mass FC stars.

Compositonal Analysis of Potentially harmful Elements in Soils: Implications for Epidemiology and Kidney Disease

A substantial proportion of aetiological risks for many cancers and chronic diseases remain unexplained. Using geochemical soil and stream water samples collected as part of the Tellus Project studies, current research is investigating naturally occurring background levels of potentially toxic elements (PTEs) in soils and stream sediments and their possible relationship with progressive chronic kidney disease (CKD). The Tellus geological mapping project, Geological Survey Northern Ireland, collected soil sediment and stream water samples on a grid of one sample site every 2 km2 across the rural areas of Northern Ireland resulting in an excess of 6800 soil sampling locations and more than 5800 locations for stream water sampling. Accumulation of several PTEs including arsenic, cadmium, chromium, lead and mercury have been linked with human health and implicated in renal function decline. The hypothesis is that long-term exposure will result in cumulative exposure to PTEs and act as risk factor(s) for cancer and diabetes related CKD and its progression. The ‘bioavailable’ fraction of total PTE soil concentration depends on the ‘bioaccessible’ proportion through an exposure pathway. Recent work has explored this bioaccessible fraction for a range of PTEs across Northern Ireland. In this study the compositional nature of the multivariate geochemical PTE variables and bioaccessible data is explored to augment the investigation into the potential relationship between PTEs, bioaccessibility and disease data.

Analysis of groundwater-level response to rainfall and recharge estimates in fractured hard rock aquifers, NW Ireland

Despite fractured hard rock aquifers underlying over 65% of Ireland, knowledge of key processes controlling groundwater recharge in these bedrock systems is inadequately constrained. In this study, we examined 19 groundwater-level hydrographs from two Irish hillslope sites underlain by hard rock aquifers. Water-level time-series in clustered monitoring wells completed at the subsoil, soil/bedrock interface, shallow and deep bedrocks were continuously monitored hourly over two hydrological years. Correlation methods were applied to investigate groundwater-level response to rainfall, as well as its seasonal variations. The results reveal that the direct groundwater recharge to the shallow and deep bedrocks on hillslope is very limited. Water-level variations within these geological units are likely dominated by slow flow rock matrix storage. The rapid responses to rainfall (⩽2 h) with little seasonal variations were observed to the monitoring wells installed at the subsoil and soil/bedrock interface, as well as those in the shallow or deep bedrocks at the base of the hillslope. This suggests that the direct recharge takes place within these units. An automated time-series procedure using the water-table fluctuation method was developed to estimate groundwater recharge from the water-level and rainfall data. Results show the annual recharge rates of 42–197 mm/yr in the subsoil and soil/bedrock interface, which represent 4–19% of the annual rainfall. Statistical analysis of the relationship between the rainfall intensity and water-table rise reveal that the low rainfall intensity group (⩽1 mm/h) has greater impact on the groundwater recharge rate than other groups (>1 mm/h). This study shows that the combination of the time-series analysis and the water-table fluctuation method could be an useful approach to investigate groundwater recharge in fractured hard rock aquifers in Ireland.

A validated UPLC–MS/MS method for the surveillance of ten aquatic biotoxins in European brackish and freshwater systems

Over the past few decades, there has been an increased frequency and duration of cyanobacterial Harmful Algal Blooms (HABs) in freshwater systems globally. These can produce secondary metabolites called cyanotoxins, many of which are hepatotoxins, raising concerns about repeated exposure through ingestion of contaminated drinking water or food or through recreational activities such as bathing/ swimming. An ultra-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry (UPLC–MS/MS) multi-toxin method has been developed and validated for freshwater cyanotoxins; microcystins-LR, -YR, -RR, -LA, -LY and -LF, nodularin, cylindrospermopsin, anatoxin-a and the marine diatom toxin domoic acid. Separation was achieved in around 9 min and dual SPE was incorporated providing detection limits of between 0.3 and 5.6 ng/L of original sample. Intra- and inter-day precision analysis showed relative
standard deviations (RSD) of 1.2–9.6% and 1.3–12.0% respectively. The method was applied to the analysis of aquatic samples (n = 206) from six European countries. The main class detected were the hepatotoxins; microcystin-YR (n = 22), cylindrospermopsin (n = 25), microcystin-RR (n = 17), microcystin-LR (n = 12), microcystin-LY (n = 1), microcystin-LF (n = 1) and nodularin (n = 5). For microcystins, the levels detected ranged from 0.001 to 1.51 mg/L, with two samples showing combined levels above the guideline set by the WHO of 1 mg/L for microcystin-LR. Several samples presented with multiple toxins indicating the potential for synergistic effects and possibly enhanced toxicity. This is the first published pan European survey of freshwater bodies for multiple biotoxins, including two identified for the first time; cylindrospermopsin in Ireland and nodularin in Germany, presenting further incentives for improved monitoring and development of strategies to mitigate human exposure.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Maxwell perturbations on asymptotically Anti-de-Sitter spacetimes: generic boundary conditions and a new branch of quasinormal modes

Perturbations of asymptotically Anti-de-Sitter (AdS) spacetimes are often considered by imposing field vanishing boundary conditions (BCs) at the AdS boundary. Such BCs, of Dirichlet-type, imply a vanishing energy flux at the boundary, but the converse is, generically, not true. Regarding AdS as a gravitational box, we consider vanishing energy flux (VEF) BCs as a more fundamental physical requirement and we show that these BCs can lead to a new branch of modes. As a concrete example, we consider Maxwell perturbations on Kerr-AdS black holes in the Teukolsky formalism, but our formulation applies also for other spin fields. Imposing VEF BCs, we find a set of two Robin BCs, even for Schwarzschild-AdS black holes. The Robin BCs on the Teukolsky variables can be used to study quasinormal modes, superradiant instabilities and vector clouds. As a first application, we consider here the quasinormal modes of Schwarzschild-AdS black holes. We find that one of the Robin BCs yields the quasinormal spectrum reported in the literature, while the other one unveils a new branch for the quasinormal spectrum.

Bottom-up regulation of phytoplankton in the Guadiana estuary

Tese dout., Ciências do Mar (Ecologia Marinha), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2010

A luz na pintura de representação : mito, representação e luz na prática pictórica : (1550-1650)

Tese de doutoramento, Belas-Artes (Pintura), Universidade de Lisboa, Faculdade de Belas-Artes, 2014

Quantifying diet-induced metabolic changes of the human gut microbiome

The human gut microbiome is known to be associated with various human disorders, but a major challenge is to go beyond association studies and elucidate causalities. Mathematical modeling of the human gut microbiome at a genome scale is a useful tool to decipher microbe-microbe, diet-microbe and microbe-host interactions. Here, we describe the CASINO (Community And Systems-level INteractive Optimization) toolbox, a comprehensive computational platform for analysis of microbial communities through metabolic modeling. We first validated the toolbox by simulating and testing the performance of single bacteria and whole communities in vitro. Focusing on metabolic interactions between the diet, gut microbiota, and host metabolism, we demonstrated the predictive power of the toolbox in a diet-intervention study of 45 obese and overweight individuals and validated our predictions by fecal and blood metabolomics data. Thus, modeling could quantitatively describe altered fecal and serum amino acid levels in response to diet intervention.