Steady-state global optimization of metabolic non-linear dynamic models through recasting into power-law canonical models

Background: Design of newly engineered microbial strains for biotechnological purposes would greatly benefit from the development of realistic mathematical models for the processes to be optimized. Such models can then be analyzed and, with the development and application of appropriate optimization techniques, one could identify the modifications that need to be made to the organism in order to achieve the desired biotechnological goal. As appropriate models to perform such an analysis are necessarily non-linear and typically non-convex, finding their global optimum is a challenging task. Canonical modeling techniques, such as Generalized Mass Action (GMA) models based on the power-law formalism, offer a possible solution to this problem because they have a mathematical structure that enables the development of specific algorithms for global optimization. Results: Based on the GMA canonical representation, we have developed in previous works a highly efficient optimization algorithm and a set of related strategies for understanding the evolution of adaptive responses in cellular metabolism. Here, we explore the possibility of recasting kinetic non-linear models into an equivalent GMA model, so that global optimization on the recast GMA model can be performed. With this technique, optimization is greatly facilitated and the results are transposable to the original non-linear problem. This procedure is straightforward for a particular class of non-linear models known as Saturable and Cooperative (SC) models that extend the power-law formalism to deal with saturation and cooperativity. Conclusions: Our results show that recasting non-linear kinetic models into GMA models is indeed an appropriate strategy that helps overcoming some of the numerical difficulties that arise during the global optimization task.

Definition of linear color models in the RGB vector color space to detect red peaches in orchard images taken under natural illumination

This work proposes the detection of red peaches in orchard images based on the definition of different linear color models in the RGB vector color space. The classification and segmentation of the pixels of the image is then performed by comparing the color distance from each pixel to the different previously defined linear color models. The methodology proposed has been tested with images obtained in a real orchard under natural light. The peach variety in the orchard was the paraguayo (Prunus persica var. platycarpa) peach with red skin. The segmentation results showed that the area of the red peaches in the images was detected with an average error of 11.6%; 19.7% in the case of bright illumination; 8.2% in the case of low illumination; 8.6% for occlusion up to 33%; 12.2% in the case of occlusion between 34 and 66%; and 23% for occlusion above 66%. Finally, a methodology was proposed to estimate the diameter of the fruits based on an ellipsoidal fitting. A first diameter was obtained by using all the contour pixels and a second diameter was obtained by rejecting some pixels of the contour. This approach enables a rough estimate of the fruit occlusion percentage range by comparing the two diameter estimates.

Meio de cultura, concentração de AIB e tempo de cultivo no enraizamento in vitro de amoreira-preta e framboeseira

A propagação da amoreira-preta e da framboeseira dá-se principalmente por meio de estacas de raiz e mesmo de hastes novas, contudo, já é crescente o interesse pelo uso da micropropagação como um método alternativo de propagação . O enraizamento é uma das etapas mais difícieis, onde a definição do meio de cultivo, da concentração ótima de AIB para o enraizamento, constitui um passo importante, por isso objetivou-se com este experimento determinar o melhor meio de cultivo, melhor tipo de cultivo e a melhor concentração de AIB no meio de cultura para o enraizamento in vitro da amoreira-preta 'Xavante' e de framboeseira 'Batum' e 'Heritage'. O material vegetal utilizado foram microestacas apicais com duas folhas, com cerca de 1 cm de comprimento, oriundas do cultivo in vitro. Os fatores estudados foram o tipo de meio de cultura MS e WPM - Wood Plant Media, a concentração de AIB no meio de cultura e o tempo de cultivo das microestacas em meio com AIB. O meio WPM, em concentrações baixas, menores de 3 µM de AIB, induziram maiores médias de enraizamento e comprimento. Concentrações altas de AIB induziram a formação de calo, para amoreira-preta, 'Xavante'. Para a framboeseira o meio WPM, com menores concentrações de AIB (0 e 3 µM), mostrou as melhores médias no número de raízes, comprimento de raízes e pequena intensidade de calo; com as maiores concentrações de AIB, ocorreu maior aparecimento de calo.

Fases da germinação de sementes de Annona emarginata (Schltdl.) H. Rainer em diferentes temperaturas

O presente trabalho foi realizado com o objetivo de identificar as fases da germinação de sementes de araticum-de-terra-fria (Annona emarginata (Schltdl.) H. Rainer) sob diferentes temperaturas. Para tanto, o trabalho foi dividido em dois experimentos: um para a determinação das fases I e II da germinação, e outro para a fase III. O delineamento experimental foi o inteiramente casualizado, com 3 tratamentos e 4 repetições de 25 sementes por parcela, em ambos os experimentos. Os tratamentos foram constituídos pelas temperaturas constantes de 25ºC e 30ºC e temperatura alternada de 20-30ºC (8-16 h, respectivamente), com luz constante. As variáveis analisadas foram a variação do grau de umidade ao longo do tempo (experimento 1), a porcentagem e a velocidade média de germinação (experimento 2). Os dados foram submetidos à análise de variância, as médias comparadas pelo teste Tukey, a 5% de probabilidade e regressão polinomial. A variação do grau de umidade ao longo do tempo foi estudada através da regressão não linear monomolecular, com os parâmetros das funções comparados conforme os tratamentos, ajustados, submetidos à análise de variância e teste Tukey, a 5% de probabilidade. Observou-se que as sementes mantidas a 30ºC apresentaram maiores valores para velocidade de aquisição de água, atingindo 27,85% de grau de umidade na mudança da fase I para a fase II. Quando as sementes foram submetidas a 25ºC, a fase I teve duração de 60 horas, atingindo 28,35% de grau de umidade e, sob 20/30ºC, a fase durou 72 horas, alcançando 28,33% de grau de umidade. Embora 30ºC tenha promovido a maior velocidade de embebição, não refletiu em maior porcentagem de germinação (fase III), que foi observada nas sementes mantidas a 20/30ºC.

Produção de mudas de caramboleiras 'B-10' e 'Golden Star': I - parâmetros biológicos

O Brasil é um dos maiores produtores de carambola do mundo, entretanto há poucas informações científicas, especialmente estudos de nutrição mineral com mudas dessa frutífera. Objetivando contribuir com o conhecimento desse importante aspecto, desenvolveu-se estudo que permitisse avaliar o crescimento e o acúmulo de nutrientes em mudas de caramboleiras, cultivadas em solução nutritiva. O experimento foi realizado em parcelas subdivididas, sendo utilizadas como parcela as duas cultivares de caramboleira ('B-10' e 'Golden Star') e, como subparcelas, as cinco épocas de coleta de plantas, realizadas aos 208; 233; 258; 283 e 308 dias após o transplantio para a solução nutritiva. O delineamento foi inteiramente casualizado, com três repetições. As mudas foram cultivadas em vasos (8L) com solução nutritiva (pH=5,5 ± 0,5), com aeração. O experimento iniciou-se em 24-08-2005. Nos diferentes órgãos das mudas (folhas, caule e raízes), avaliaram-se o crescimento e o acúmulo de nutrientes, e os índices nutricionais. Não houve diferenças no crescimento e, em geral, no acúmulo da massa da matéria seca entre as duas cultivares. Houve acúmulo linear da massa da matéria seca das mudas de caramboleira com o tempo de cultivo, sendo maior nas folhas > caule > raízes. O período de maior acúmulo da massa de matéria seca e da taxa de crescimento relativo na planta inteira esteve compreendido entre 208 - 233 e 233 - 258 dias após o transplantio para a 'B-10' e a 'Golden Star', respectivamente.

Tamanho de recipientes e tempo de formação de mudas no desenvolvimento e produção de maracujazeiro-amarelo

O tamanho de recipientes e o tempo de formação em viveiro são fatores diretamente relacionados com a qualidade das mudas de maracujazeiro, mas é importante verificar se o maior desenvolvimento da muda se reflete no desempenho das plantas adultas a campo. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a influência do tamanho de recipientes e do tempo de formação das mudas no desenvolvimento e na produção de maracujazeiro-amarelo. O delineamento experimental utilizado foi de blocos ao acaso, arranjados em esquema fatorial 3 (tamanhos de recipientes) x 3 (períodos de formação das mudas), com quatro repetições e quatro plantas por parcela. Os recipientes avaliados tinham volumes de 400; 800 e 1.200 cm³, e as semeaduras foram realizadas em março, abril e maio. As mudas foram transplantadas para o campo,em setembro, com 180; 150 e 120 dias de formação em viveiro. Foram avaliados a altura das mudas no transplante, a produção total, o número de frutos por planta e a massa dos frutos durante o 1º ciclo de produção. O desenvolvimento vegetativo da parte aérea das mudas é proporcional ao tamanho do recipiente e ao tempo para formação. Semeaduras realizadas no mês de maio, em recipientes de 1.200 cm³, são mais apropriadas por apresentarem produção de frutos maior e/ou igual aos demais tratamentos, em menor período de formação.

Counter-propagating dual-trap optical tweezers based on linear momentum conservation

We present a dual-trap optical tweezers setup which directly measures forces using linear momentum conservation. The setup uses a counter-propagating geometry, which allows momentum measurement on each beam separately. The experimental advantages of this setup include low drift due to all-optical manipulation, and a robust calibration (independent of the features of the trapped object or buffer medium) due to the force measurement method. Although this design does not attain the high-resolution of some co-propagating setups, we show that it can be used to perform different single molecule measurements: fluctuation-based molecular stiffness characterization at different forces and hopping experiments on molecular hairpins. Remarkably, in our setup it is possible to manipulate very short tethers (such as molecular hairpins with short handles) down to the limit where beads are almost in contact. The setup is used to illustrate a novel method for measuring the stiffness of optical traps and tethers on the basis of equilibrium force fluctuations, i.e., without the need of measuring the force vs molecular extension curve. This method is of general interest for dual trap optical tweezers setups and can be extended to setups which do not directly measure forces.

Anticipating linear stochastic differential equations driven by a Lévy process

In this paper we study the existence of a unique solution for linear stochastic differential equations driven by a Lévy process, where the initial condition and the coefficients are random and not necessarily adapted to the underlying filtration. Towards this end, we extend the method based on Girsanov transformations on Wiener space and developped by Buckdahn [7] to the canonical Lévy space, which is introduced in [25].

Uso fertilizante do subproduto da agroindústria processadora de goiabas II: estado nutricional e produção de goiabas

O conhecimento sobre a dinâmica dos nutrientes provenientes da aplicação de resíduos orgânicos faz-se necessário, principalmente visando sua a reciclagem, considerando que a quantidade desses materiais tem aumentado rapidamente com o tempo. Assim, objetivou-se avaliar o estado nutricional e a produção de frutos de um pomar de goiabeiras, em função da aplicação do subproduto da indústria processadora de goiabas. O delineamento empregado foi o de blocos casualizados, com cinco tratamentos e quatro repetições, sendo as doses do subproduto (moído) iguais a zero; 9;18; 27 e 36 t ha-1 (peso do material seco). Foram feitas cinco aplicações do subproduto em 2006, 2007, 2008, 2009 e 2010. Avaliou-se o estado nutricional das goiabeiras, via diagnose foliar (macro e micronutrientes), bem como a produção de frutos por seis safras consecutivas. A aplicação do subproduto da indústria processadora de goiabas promoveu alterações no estado nutricional e na produção de frutos. As doses do subproduto incrementaram os teores foliares de N, Mg e Mn da goiabeira. A produção de goiabas cresceu de forma linear em função das doses do subproduto. Os efeitos da aplicação do subproduto foram verificados primeiramente no solo, posteriormente nos teores foliares e, finalmente, na produção de frutos, ao longo das safras.

Hierarchical linear models in Psychiatry: A bibliometric study

Development of research methods requires a systematic review of their status. This study focuses on the use of Hierarchical Linear Modeling methods in psychiatric research. Evaluation includes 207 documents published until 2007, included and indexed in the ISI Web of Knowledge databases; analyses focuses on the 194 articles in the sample. Bibliometric methods are used to describe the publications patterns. Results indicate a growing interest in applying the models and an establishment of methods after 2000. Both Lotka"s and Bradford"s distributions are adjusted to the data.

DESCRIÇÃO DA CURVA DE CRESCIMENTO DE FRUTOS DO CAJUEIRO POR MODELOS NÃO LINEARES

RESUMO O objetivo do trabalho foi avaliar o ajuste dos modelos Gompertz e Logístico, com estrutura de erros independentes e autoregressivos, no desenvolvimento de frutos de caju, com base em medidas de comprimento e largura do fruto, tomados ao longo do tempo. A estimação dos parâmetros foi feita por meio de rotinas no software R, utilizando-se o método dos mínimos quadrados e o processo iterativo de Gauss- Newton. Os modelos foram comparados pelos critérios: coeficiente de determinação ajustado (R2 aj), desvio padrão residual (DPR), critério de informação Akaike (AIC) ecritériobayesiano de Schwarz (BIC). Para os dois modelos, os dados apresentaram autocorrelação residual positiva, tanto para a variável comprimento como para a largura do fruto, descrita por processo autoregressivo de primeiraordem. Em geral, por todos critérios de avaliação da qualidade de ajuste, os dados se ajustaram ao modelo Logístico com uma estrutura autoregressiva da primeira ordem, havendo no entanto superestimação do tamanhodo fruto nas últimas idades, tanto no crescimento em comprimento (cm) e largura (cm).

Source separation techniques applied to linear prediction

The prediction filters are well known models for signal estimation, in communications, control and many others areas. The classical method for deriving linear prediction coding (LPC) filters is often based on the minimization of a mean square error (MSE). Consequently, second order statistics are only required, but the estimation is only optimal if the residue is independent and identically distributed (iid) Gaussian. In this paper, we derive the ML estimate of the prediction filter. Relationships with robust estimation of auto-regressive (AR) processes, with blind deconvolution and with source separation based on mutual information minimization are then detailed. The algorithm, based on the minimization of a high-order statistics criterion, uses on-line estimation of the residue statistics. Experimental results emphasize on the interest of this approach.

Exploring Non-linear Transformations for an Entropybased Voice Activity Detector

In this paper we explore the use of non-linear transformations in order to improve the performance of an entropy based voice activity detector (VAD). The idea of using a non-linear transformation comes from some previous work done in speech linear prediction (LPC) field based in source separation techniques, where the score function was added into the classical equations in order to take into account the real distribution of the signal. We explore the possibility of estimating the entropy of frames after calculating its score function, instead of using original frames. We observe that if signal is clean, estimated entropy is essentially the same; but if signal is noisy transformed frames (with score function) are able to give different entropy if the frame is voiced against unvoiced ones. Experimental results show that this fact permits to detect voice activity under high noise, where simple entropy method fails.

Dosimetria dos cones radiocirúrgicos Radionics de diâmetros de 5 mm a 50 mm para um feixe de 6 MV de um acelerador linear Mevatron MD digital

Os parâmetros dosimétricos de um feixe de raios X de pequeno diâmetro para um sistema de radiocirurgia comercial foram medidos em água com um detector de diodo de Si do tipo p. As razões tecido-máximo, o fator de espalhamento total e os perfis dos feixes a profundidades de 5 e 10 cm foram medidos para 17 feixes de diâmetros circulares de 5 mm a 50 mm, em incrementos de 2,5 mm. Os fatores de espalhamento totais caíram lentamente, de 0,947 para 0,888 entre os cones de 50 mm e 12,5 mm de diâmetro (variação de 7%); para os cones entre 10 mm e 5 mm de diâmetro, esta queda foi bem maior, de 0,854 para 0,666 (variação de 28%). Os valores obtidos para a relação tecido-máximo são consistentes com dados publicados. Os perfis dos feixes foram medidos nas direções x e y, e estão dentro de 0,2 mm para todos os cones entre as duas direções. A medida da largura à meia-altura se encontra dentro de 1 mm com o diâmetro nominal dos cones.