Identifying the preferred subset of enzymatic profiles in nonlinear kinetic metabolic models via multiobjective global optimization and pareto filters

Optimization models in metabolic engineering and systems biology focus typically on optimizing a unique criterion, usually the synthesis rate of a metabolite of interest or the rate of growth. Connectivity and non-linear regulatory effects, however, make it necessary to consider multiple objectives in order to identify useful strategies that balance out different metabolic issues. This is a fundamental aspect, as optimization of maximum yield in a given condition may involve unrealistic values in other key processes. Due to the difficulties associated with detailed non-linear models, analysis using stoichiometric descriptions and linear optimization methods have become rather popular in systems biology. However, despite being useful, these approaches fail in capturing the intrinsic nonlinear nature of the underlying metabolic systems and the regulatory signals involved. Targeting more complex biological systems requires the application of global optimization methods to non-linear representations. In this work we address the multi-objective global optimization of metabolic networks that are described by a special class of models based on the power-law formalism: the generalized mass action (GMA) representation. Our goal is to develop global optimization methods capable of efficiently dealing with several biological criteria simultaneously. In order to overcome the numerical difficulties of dealing with multiple criteria in the optimization, we propose a heuristic approach based on the epsilon constraint method that reduces the computational burden of generating a set of Pareto optimal alternatives, each achieving a unique combination of objectives values. To facilitate the post-optimal analysis of these solutions and narrow down their number prior to being tested in the laboratory, we explore the use of Pareto filters that identify the preferred subset of enzymatic profiles. We demonstrate the usefulness of our approach by means of a case study that optimizes the ethanol production in the fermentation of Saccharomyces cerevisiae.

Effects of a post-weaning cafeteria diet in young rats: metabolic syndrome, reduced activity and low anxiety-like behaviour.

Among adolescents, overweight, obesity and metabolic syndrome are rapidly increasing in recent years as a consequence of unhealthy palatable diets. Animal models of diet-induced obesity have been developed, but little is known about the behavioural patterns produced by the consumption of such diets. The aim of the present study was to determine the behavioural and biochemical effects of a cafeteria diet fed to juvenile male and female rats, as well as to evaluate the possible recovery from these effects by administering standard feeding during the last week of the study. Two groups of male and female rats were fed with either a standard chow diet (ST) or a cafeteria (CAF) diet from weaning and for 8 weeks. A third group of males (CAF withdrawal) was fed with the CAF diet for 7 weeks and the ST in the 8th week. Both males and females developed metabolic syndrome as a consequence of the CAF feeding, showing overweight, higher adiposity and liver weight, increased plasma levels of glucose, insulin and triglycerides, as well as insulin resistance, in comparison with their respective controls. The CAF diet reduced motor activity in all behavioural tests, enhanced exploration, reduced anxiety-like behaviour and increased social interaction; this last effect was more pronounced in females than in males. When compared to animals only fed with a CAF diet, CAF withdrawal increased anxiety in the open field, slightly decreased body weight, and completely recovered the liver weight, insulin sensitivity and the standard levels of glucose, insulin and triglycerides in plasma. In conclusion, a CAF diet fed to young animals for 8 weeks induced obesity and metabolic syndrome, and produced robust behavioural changes in young adult rats, whereas CAF withdrawal in the last week modestly increased anxiety, reversed the metabolic alterations and partially reduced overweight.

Geofluid behaviour in successive extensional and compressional events: a case study from the southwestern end of the Vallès-Penedès Fault (Catalan Coastal Ranges, NE Spain)

The structural position of the Upper Jurassic-Lower Cretaceous carbonates located in the central part of the Catalan Coastal Ranges corresponds to the southwestern end of the Vallès-Penedès Fault. This fault was reactivated at different times during successive extensional and compressional events and several generations of fractures and cementations were formed.

Electric Motor and Frequency Converter Markets in Latin America and Especially in the Mining Industry of Chile

Latinalaisen Amerikan osuus maailmantaloudesta on pieni verrattuna sen maantieteelliseen kokoon, väkilukuun ja luonnonvaroihin. Aluetta pidetään kuitenkin yhtenä tulevaisuuden merkittävistä kasvumarkkinoista. Useissa Latinalaisen Amerikan maissa on teollisuutta, joka hyödyntää luonnonvaroja ja tuottaa raaka-aineita sekä kotimaan että ulkomaiden markkinoille. Tällaisia tyypillisiä teollisuudenaloja Latinalaisessa Amerikassa ovat kaivos- ja metsäteollisuus sekä öljyn ja maakaasun tuotanto. Näiden teollisuudenalojen tuotantolaitteiden ja koneiden valmistusta ei Latinalaisessa Amerikassa juurikaan ole. Ne tuodaan yleensä Pohjois-Amerikasta ja Euroopasta. Tässä diplomityössä tutkitaan sähkömoottorien ja taajuusmuuttajien markkinapotentiaalia Latinalaisessa Amerikassa. Tutkimuksessa perehdytään Latinalaisen Amerikan maiden kansantalouksien tilaan sekä arvioidaan sähkömoottorien ja taajuusmuuttajien markkinoiden kokoa tullitilastojen avulla. Chilen kaivosteollisuudessa arvioidaan olevan erityistä potentiaalia. Diplomityössä selvitetään ostoprosessin kulkua Chilen kaivosteollisuudessa ja eri asiakastyyppien roolia siinä sekä tärkeimpiä päätöskriteerejä toimittaja- ja teknologiavalinnoissa.

Market Study of Electric Drive Motion Control Business

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia älykkäiden paikoituskäyttöjen markkinoita ja liiketoimintamalleja. Työn pääongelmina oli määritellä alalla käytössä olevaa terminologiaa, määrittää markkinoiden koko paikoitusominaisuudet omaaville kolmivaihetaajuusmuuttajille, tutkia viiden alalla toimivan paikoituskäyttötoimittajan liiketoimintarakenteita ja tuotteita teknisestä näkökulmasta sekä esitellä kaksi teollisuuden käyttökohdetta paikoituskäytölle. Työn sisältö voidaan jakaa neljään eri osioon. Terminologian määrittely- ja markkinatutkimusosiot perustuvat pääasiassa kirjallisuustutkimukseen. Paikoituskäyttöjen toimittajia sekä niiden tuotteita käsittelevä osuus perustuu kirjallisuustutkimukseen sekä teknisiin esitteisiin ja manuaaleihin. Paikoituskäyttöjen sovellusesimerkit on selvitetty haastatteluin. Työ painottuu paikoituskäyttötoimittajien tuotteiden, tuoteominaisuuksien ja tuotetarjonnan tarkasteluun. Työn tuloksena on määritelty paikoituskäyttöjen liiketoiminnan tärkeimmät termit, paikoituskäyttöjen markkinoiden koko sekä markkinoiden koko paikoitusominaisuudet omaavalle kolmivaihetaajuusmuuttajalle. Alalla toimivien paikoituskäyttötoimittajien liiketoimintarakenne on selvitetty, jonka mukaan toimittajat on profiloitu komponentti-, komponenttipaketti-, toimialakeskeisiksi tai automaatiotoimittajiksi. Toimittajien paikoituskäyttötuotteet on luokiteltu viiteen eri luokkaan niiden teknisten ominaisuuksien perusteella. Lisäksi paikoituskäyttöjen suorituskyvyt on selvitetty säätimien momentti-, nopeus-, ja paikoituslaskenta-aikatasojen sekä kenttäväyläliityntöjen suhteen. Työssä kuvatut vanerinsorvausprosessi sekä FMS -materiaalinkäsittelyprosessi esittävät paikoituskäyttöjen potentiaalisia sovelluskohteita.

The Effect of Load Follow Operation on Fuel Behaviour in Loviisa NPP

Työn tarkoituksena oli analysoida polttoainesauvojen käyttäytymistä Loviisan ydinvoimalaitoksen tehonsäätöajossa. Sähkömarkkinoiden vapautuminen Pohjoismaissa sekä tämän seurauksena vaihteleva sähkön markkinahinta ovat ajaneet sähkötuottajat tilanteeseen, jossa tuotanto aiempaa enemmän mukautuu markkinatilanteeseen. Näin ollen myös Loviisan ydinvoimalaitoksen osallistuminen sähkön tuotannon säätelyyn saattaa tulevaisuudessa olla ajankohtaista. Ennen kuin reaktorin tehonsäätöajoa voidaan alkaa toteuttaa, tulee varmistua siitä, että polttoainesauvassa tehonsäätöjen seurauksena tapahtuvat muutokset eivät aiheuta epäsuotuisia käyttäytymisilmiöitä. Työssä tarkastellaan kahden Loviisan ydinvoimalaitoksen polttoainetoimittajan, British Nuclear Fuels plc:n ja venäläisen TVEL:n ensinippujen polttoainesauvan käyttäytymistä tehonsäätötapauksissa. Työssä tarkastellut tehonsäätötapaukset on pyritty valitsemaan niin, että ne kuvaisivat tulevaisuudessa mahdollisesti toteutettavia tehonsäätöjä. Laskentatapauksien sauvatehohistoriat on generoitu HEXBU-3D sydänsimulaattoriohjelmalla lasketun nelivuotisen perustehohistorian pohjalta lisäämällä säätösauvan aiheuttama reaktoritehon muutos, säätösauvan viereisen polttoainenipun aksiaalitehon muutos sekä säätösauvan rakenteen aiheuttama paikallinen tehopiikki säätösauvan vieressä. Työssä tarkastellaan tehonsäätöjen toteuttamista eri tehotasoille ja vaihtelevilla määrillä tehonsäätösyklejä. Työssä käsitellyt laskentatapaukset on jaoteltu reaktorin ajotavan mukaan seuraavasti: peruskuorma-ajo, viikonloppusäätö ja päiväsäätö. Laskenta suoritettiin ydinpolttoaineen käyttäytymistä kuvaavaa ENIGMA-B 7.3.0 ohjelmaa apuna käyttäen. Laskelmien tulokset osoittavat, että molempien polttoainetoimittajien ensinippujen sauvat kestävät reaktorin tehonsäätöajoa rajoituksetta tarkastelluissa laskentatapauksissa. ENIGMA-ohjelman sisältämät mallit, jotka ennustavat polttoainesauvan suojakuoren vaurioitumistodennäköisyyden jännityskorroosion tai väsymismurtuman kautta, eivät näytä mitään merkkejä vaurioitumisesta. BNFL:n polttoainesauva saavuttaa kuitenkin suurempia väsymismurtumatodennäköisyyden arvoja. Tämä johtuu siitä, että polttoainepelletin ja suojakuoren välinen mekaaninen vuorovaikutus syntyy BNFL:n sauvassa aikaisemmin, joka taas johtaa suurempaan määrään sauvaa rasittavia muodonmuutoksia tehonnostotilanteissa. TVEL:n Zr1%Nb -materiaalista valmistetun suojakuoren käyttäytymistä ei voida kuitenkaan suoraan näiden laskujen perusteella arvioida, sillä ENIGMA-ohjelman mallit perustuvat Zircaloy-suojakuorimateriaaleilla suoritettuihin kokeisiin.

Activity patterns and foraging behaviour of Audouin's gulls at the Ebro Delta, NW Mediterranean.

Twenty Audouin´s gulls, Larus audouinii, breeding in the Ebro Delta (NW Mediterranean) were radio-tracked in 1998 to study their foraging behaviour and activity patterns. Some detrimental effects of tagging on the breeding success of the birds were detected, especially when both members of the pair were tagged. The results were actually constrained by the low number of locations due to natural breeding failure and failure in tag emission, as well as the adverse effect of tagging. However, through a combination of aircraft surveys at sea and a fixed station for automatic tracking of the presence of the birds at the colony, novel individual-based information of home ranges and activity patterns was obtained. Trawler fishing activity seemed to influence both the foraging range and habitat use: while trawlers operated, gulls overlapped their fishing grounds with vessels, probably to scavenge on discards. Very few locations were obtained during a trawling moratorium period, although they were all recorded in coastal bays and terrestrial habitats. During the trawling activity period, gulls ranged over a minimum convex polygon area of 2900 km2. Gulls were tracked up to 40 km from the colony, but some individuals were observed beyond 150 km while still breeding. Arrivals and departures from the colony were in accordance with the trawling timetable. However, most birds also showed some nocturnal foraging activity, probably linked to active fishing of clupeoids (following diel migrations) or to the exploitation of purse-seine fishing activity. Foraging trips lasted on average 15 hours: males performed significantly shorter trips than females, which spent more time outside the colony. The proportion of nocturnal time involved in the foraging trips was the same for males and females, but whilst all males initiated their trips both during the day and at night, some females only initiated their trips during the day. Hatching success was found to be related to foraging effort by males. Gulls spent on average ca. 38% of their time budget outside the nesting territory, representing the time devoted mainly to flying, foraging and other activities.

Real-time Linux in electric drive systems

Reaaliaikaisten käyttöjärjestelmien käyttö sulautetuissa järjestelmissä on kasvamassa koko ajan. Sulautettuja tietokoneita käytetään yhä useammassa kohteessa kuten sähkökäyttöjen ohjauksessa. Sähkökäyttöjen ohjaus hoidetaan nykyisin yleensä nopealla digitaalisella signaaliprosessorilla (DSP), jolloin ohjelmointi ja päivittäminen on hidasta ja vaikeaa johtuen käytettävästä matalan tason Assembler-kielestä. Ratkaisuna yleiskäyttöisten prosessorien ja reaaliaikakäyttöjärjestelmien käyttö. Kaupalliset reaaliaikakäyttöjärjestelmät ovat kalliita ja lähdekoodin saaminen omaan käyttöön jopa mahdotonta. Linux on ei-kaupallinen avoimen lähdekoodin käyttöjärjestelmä, joten sen käyttö on ilmaista ja sitä voi muokata vapaasti. Linux:iin on saatavana useita laajennuksia, jotka tekevät siitä reaaliaikaisen käyttöjärjestelmän. Vaihtoehtoina joko kova (hard) tai pehmeä (soft) reaaliaikaisuus. Linux:iin on olemassa valmiita kehitysympäristöjä mutta ne kaipaavat parannusta ennen kuin niitä voidaan käyttää suuressa mittakaavassa teollisuudessa. Reaaliaika Linux ei sovellus nopeisiin ohjauslooppeihin (<100 ms) koska nopeus ei riitä vielä mutta nopeus kasvaa samalla kun prosessorit kehittyvät. Linux soveltuu hyvin rajapinnaksi nopean ohjauksen ja käyttäjän välille ja hitaampaan ohjaukseen.

Nonlinear prediction based on score function

The linear prediction coding of speech is based in the assumption that the generation model is autoregresive. In this paper we propose a structure to cope with the nonlinear effects presents in the generation of the speech signal. This structure will consist of two stages, the first one will be a classical linear prediction filter, and the second one will model the residual signal by means of two nonlinearities between a linear filter. The coefficients of this filter are computed by means of a gradient search on the score function. This is done in order to deal with the fact that the probability distribution of the residual signal still is not gaussian. This fact is taken into account when the coefficients are computed by a ML estimate. The algorithm based on the minimization of a high-order statistics criterion, uses on-line estimation of the residue statistics and is based on blind deconvolution of Wiener systems [1]. Improvements in the experimental results with speech signals emphasize on the interest of this approach.

Flocking behaviour: Agent-based simulation and hierarchical leadership.

We have studied how leaders emerge in a group as a consequence of interactions among its members. We propose that leaders can emerge as a consequence of a self-organized process based on local rules of dyadic interactions among individuals. Flocks are an example of self-organized behaviour in a group and properties similar to those observed in flocks might also explain some of the dynamics and organization of human groups. We developed an agent-based model that generated flocks in a virtual world and implemented it in a multi-agent simulation computer program that computed indices at each time step of the simulation to quantify the degree to which a group moved in a coordinated way (index of flocking behaviour) and the degree to which specific individuals led the group (index of hierarchical leadership). We ran several series of simulations in order to test our model and determine how these indices behaved under specific agent and world conditions. We identified the agent, world property, and model parameters that made stable, compact flocks emerge, and explored possible environmental properties that predicted the probability of becoming a leader.

Effect of the surface charge discretization on electric double layers. A Monte Carlo simulation study

The structure of the electric double layer in contact with discrete and continuously charged planar surfaces is studied within the framework of the primitive model through Monte Carlo simulations. Three different discretization models are considered together with the case of uniform distribution. The effect of discreteness is analyzed in terms of charge density profiles. For point surface groups,a complete equivalence with the situation of uniformly distributed charge is found if profiles are exclusively analyzed as a function of the distance to the charged surface. However, some differences are observed moving parallel to the surface. Significant discrepancies with approaches that do not account for discreteness are reported if charge sites of finite size placed on the surface are considered.