Heat shock response in yeast involves changes in both transcription rates and mRNA stabilities

We have analyzed the heat stress response in the yeast Saccharomyces cerevisiae by determining mRNA levels and transcription rates for the whole transcriptome after a shift from 25uC to 37uC. Using an established mathematical algorithm, theoretical mRNA decay rates have also been calculated from the experimental data. We have verified the mathematical predictions for selected genes by determining their mRNA decay rates at different times during heat stress response using the regulatable tetO promoter. This study indicates that the yeast response to heat shock is not only due to changes in transcription rates, but also to changes in the mRNA stabilities. mRNA stability is affected in 62% of the yeast genes and it is particularly important in shaping the mRNA profile of the genes belonging to the environmental stress response. In most cases, changes in transcription rates and mRNA stabilities are homodirectional for both parameters, although some interesting cases of antagonist behavior are found. The statistical analysis of gene targets and sequence motifs within the clusters of genes with similar behaviors shows that both transcriptional and post-transcriptional regulons apparently contribute to the general heat stress response by means of transcriptional factors and RNA binding proteins.

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.

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.

Consensus recommendations on training and competing in the heat.

Exercising in the heat induces thermoregulatory and other physiological strain that can lead to impairments in endurance exercise capacity. The purpose of this consensus statement is to provide up-to-date recommendations to optimize performance during sporting activities undertaken in hot ambient conditions. The most important intervention one can adopt to reduce physiological strain and optimize performance is to heat acclimatize. Heat acclimatization should comprise repeated exercise-heat exposures over 1-2 weeks. In addition, athletes should initiate competition and training in a euhydrated state and minimize dehydration during exercise. Following the development of commercial cooling systems (e.g., cooling vest), athletes can implement cooling strategies to facilitate heat loss or increase heat storage capacity before training or competing in the heat. Moreover, event organizers should plan for large shaded areas, along with cooling and rehydration facilities, and schedule events in accordance with minimizing the health risks of athletes, especially in mass participation events and during the first hot days of the year. Following the recent examples of the 2008 Olympics and the 2014 FIFA World Cup, sport governing bodies should consider allowing additional (or longer) recovery periods between and during events for hydration and body cooling opportunities when competitions are held in the heat.

Sprint performance under heat stress: A review.

Training and competition in major track-and-field events, and for many team or racquet sports, often require the completion of maximal sprints in hot (>30 °C) ambient conditions. Enhanced short-term (<30 s) power output or single-sprint performance, resulting from transient heat exposure (muscle temperature rise), can be attributed to improved muscle contractility. Under heat stress, elevations in skin/core temperatures are associated with increased cardiovascular and metabolic loads in addition to decreasing voluntary muscle activation; there is also compelling evidence to suggest that large performance decrements occur when repeated-sprint exercise (consisting of brief recovery periods between sprints, usually <60 s) is performed in hot compared with cool conditions. Conversely, poorer intermittent-sprint performance (recovery periods long enough to allow near complete recovery, usually 60-300 s) in hotter conditions is solely observed when exercise induces marked hyperthermia (core temperature >39 °C). Here we also discuss strategies (heat acclimatization, precooling, hydration strategies) employed by "sprint" athletes to mitigate the negative influence of higher environmental temperatures.

Use of the heat dissipation method for sap flow measurement in citrus nursery trees1

Sap flow could be used as physiological parameter to assist irrigation of screen house citrus nursery trees by continuous water consumption estimation. Herein we report a first set of results indicating the potential use of the heat dissipation method for sap flow measurement in containerized citrus nursery trees. 'Valencia' sweet orange [Citrus sinensis (L.) Osbeck] budded on 'Rangpur' lime (Citrus limonia Osbeck) was evaluated for 30 days during summer. Heat dissipation probes and thermocouple sensors were constructed with low-cost and easily available materials in order to improve accessibility of the method. Sap flow showed high correlation to air temperature inside the screen house. However, errors due to natural thermal gradient and plant tissue injuries affected measurement precision. Transpiration estimated by sap flow measurement was four times higher than gravimetric measurement. Improved micro-probes, adequate method calibration, and non-toxic insulating materials should be further investigated.

Application of Information Statistical Theory to the Description of the Effect of Heat Conduction on the Chemical Reaction Rate in Gases

The effect of the heat flux on the rate of chemical reaction in dilute gases is shown to be important for reactions characterized by high activation energies and in the presence of very large temperature gradients. This effect, obtained from the second-order terms in the distribution function (similar to those obtained in the Burnett approximation to the solution of the Boltzmann equation), is derived on the basis of information theory. It is shown that the analytical results describing the effect are simpler if the kinetic definition for the nonequilibrium temperature is introduced than if the thermodynamic definition is introduced. The numerical results are nearly the same for both definitions

Optimization of KOH etching process to obtain textured substrates suitable for heterojunction solar cells fabricated by HWCVD

In this work, we have studied the texturization process of (100) c-Si wafers using a low concentration potassium hydroxide solution in order to obtain good quality textured wafers. The optimization of the etching conditions have led to random but uniform pyramidal structures with good optical properties. Then, symmetric heterojunctions were deposited by Hot-Wire CVD onto these substrates and the Quasi-Steady-State PhotoConductance technique was used to measure passivation quality. Little degradation in the effective lifetime and implicit open circuit voltage of these devices (< 20 mV) was observed in all cases. It is especially remarkable that for big uniform pyramids, the open-circuit voltage is comparable to the values obtained on flat substrates.

Design and optimization of selfnanoemulsifying drug delivery systems for enhanced dissolution of gemfibrozil

Self-nanoemulsifying drug delivery systems of gemfibrozil were developed under Quality by Design approach for improvement of dissolution and oral absorption. Preliminary screening was performed to select proper components combination. BoxBehnken experimental design was employed as statistical tool to optimize the formulation variables, X1 (Cremophor® EL), X2 (Capmul® MCM-C8), and X3 (lemon essential oil). Systems were assessed for visual characteristics (emulsification efficacy), turbidity, droplet size, polydispersity index and drug release. Different pH media were also assayed for optimization. Following optimization, the values of formulation components (X1, X2, and X3) were 32.43%, 29.73% and 21.62%, respectively (16.22% of gemfibrozil). Transmission electron microscopy demonstrated spherical droplet morphology. SNEEDS release study was compared to commercial tablets. Optimized SNEDDS formulation of gemfibrozil showed a significant increase in dissolution rate compared to conventional tablets. Both formulations followed Weibull mathematical model release with a significant difference in td parameter in favor of the SNEDDS. Equally amodelistic parameters were calculated being the dissolution efficiency significantly higher for SNEDDS, confirming that the developed SNEDDS formulation was superior to commercial formulation with respect to in vitro dissolution profile. This paper provides an overview of the SNEDDS of the gemfibrozil as a promising alternative to improve oral absorption.

Kaukolämmöntuotannon ja verkon käytön optimointi uudessa ajotilanteessa

Diplomityössä kehitetään Savonlinnan kaupungin kaukolämmöntuotantoa ja kaukolämpöverkon käyttöä muuttuneessa ajotilanteessa. Muuttunut tilanne syntyy, kun Savonlinnaan rakennetaan uusi lämmitysvoimalaitos. Kaukolämpöverkkoa yhdistetään samanaikaisesti viidestä erillisestä verkosta yhdeksi kokonaiseksi verkoksi. Kaukolämmöntuotannon ja verkon käytön optimointi suoritettiin Process Vision Oy: n kehittämällä kaukolämpöverkon laskentaohjelmalla. Optimoinnissa pyrittiin saamaan mahdollisimman aikaisin taloudellisin laitos eli uusi hakelaitos täyteen tehoon ja tarvittava lisäteho otettiin öljylämpökeskuksista. Hakelaitoksen käytettävyyttä lisättiin rakentamalla kaukolämpöverkkoon välipumppaamo ja kaukolämpöveden apujäähdytin. Hakelaitosta voidaan käyttää 0°C ulkolämpötilaan asti, mutta kun käytetään apuna välipumppausta voidaan pumppauksellisesti pelkästään hakelaitokselta syöttää tehoa aina 14 °C lämpötilaan asti. Välipumppauksen avulla vuosittain vähennetään öljyn ja lisätään hakkeen polttoa n. 10,4 GWh. Nykyisillä öljyn ja hakkeen hinnoilla säästö vuodessa on n. 887000 mk. Välipumppauksella vähennetään lisäksi kaukolämpöverkon pumppauskustannuksia.

Energiataseen hallinta ja optimointi metsäteollisuusintegraatissa

Diplomityö on tehty UPM-Kymmene Oyj, Kaukaan tehtailla Lappeenrannassa. Integroidussa metsäteollisuudessa energiantuotanto koostuu yleensä sähkön- ja lämmöntuotannosta. Kaukaan tehtailla prosessien lämmöntarve saadaan katettua kokonaisuudessaan omalla tuotannolla, kun taas kulutetusta sähköstä ainoastaan puolet on tuotettu itse. Loput sähköntarpeesta joudutaan ostamaan ulkopuolelta. Tutkimuksen pääpaino on ollut selvittää, miten kustannukset ovat riippuvaisia energiantuotannosta erilaisissa käyttöolosuhteissa. Työn tuloksena on luotu tietokonepohjainen laskentamalli, jonka avulla Kaukaan tehtaiden energiantuotantoa voidaan ohjata taloudellisesti optimaalisimmalla tavalla kulloinkin vallitsevassa käyttötilanteessa. Lisäksi tutkimuksessa on analysoitu tehdasintegraatin lämmönkulutuksen seurannan mahdollisuuksia lämmönsiirtoverkon nykyisten mittausten perusteella. Työssä on kerrottu yleisesti metsäteollisuuden energiankulutuksesta Suomessa. Lisäksi on esitetty arvioita energiankulutuksen kehityksestä tulevaisuudessa sekä keinoja energiatehokkuuden parantamiseksi. Kaukaan tehtailla lämmönkulutuksen seurantaan käytettävät mittausmenetelmät ja -laitteet on esitelty virtausmittausten osalta sekä arvioitu nykyisten mittausten luotettavuutta ja riittävyyttä kokonaisvaltaisen lämpötaseen hallintaan. Kaukaan tehtaiden energiantuotantojärjestelmästä on luotu termodynaaminen malli, johon energiantuotannosta aiheutuneiden kustannusten laskenta perustuu. Energiantuotannon optimoinnilla pyritään määrittelemään tietyn tarkasteluhetken käyttötilanteessa taloudellisesti optimaalisin kattiloiden ajojärjestys. Tarkastelu on rajattu lämmöntuotannon lisäämisen osalta maakaasun käytön lisäämiseen ja höyryturbiinien ohitukseen. Sähkön ja maakaasun hinnan sekä ympäristön lämpötilan vaihtelujen vaikutusta optimaaliseen ajojärjestykseen on havainnollistettu esimerkkien avulla.

Pitkäketjuisten keteenien valmistusreaktiot ja kinetiikka.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pitkäketjuisten rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) valmistusreaktioiden kinetiikkaa. Työn tavoitteena oli saada mittaustuloksia, joiden perusteella voitaisiin kehittää reaktioille kineettinen kineettinen malli ja suorittaa valmistusprosessien alustava optimointi. Teoreettisessa osassa on selvitetty rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) eri valmistustapoja. Lisäksi on perehdytty tarkemmin rasvahappokloridien dehydrohalogenointireaktioiden reaktiomekanismeihin ja valmistusprosessin problematiikkaan. Kokeellisessa osassa tutkittiin rasvahappokloridien valmistusta klooraamalla öljyhappoa 30 mol-% fosforitrikloridiylimäärällä lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Alkyyliketeenidimeerien valmistusta tutkittiin dehydrohalogenoimalla palmitiini- ja öljyhappokloridia 0-30 mol-% trietyyliamiiniylimäärällä inertissä liuottimessa, lämpötiloissa 45 ja 50OC. Reaktiot toteutettiin puolipanosreaktiona, joissa reaktioastiassa olevaan reagenssin ja liuottimen seokseen lisättiin lähtöaine tasaisena massavirtana. Reaktioiden etenemistä seurattiin FT-IR- ja GC-analyysien avulla. Kalorimetrisilla kokeilla tutkittiin öljyhappokloridin dimeroitumisreaktion reaktiolämmön muodostumista ja UV-VIS-analyyseillä seurattiin öljyhappokloridin vanhenemista. Öljyhappokloridin valmistusreaktiolle saatiin hyvä kineettinen malli. Kineettisen mallin puutteena voidaan pitää sitä, ettei kokeissa saatu tietoa mahdollisten sivutuotteiden muodostumisesta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Happokloridien dimeroitumisreaktioiden kineettisen mallin sopivuudelle saatiin suhteellisen hyvä kuva Kuten öljyhappokloridin tapauksessa, myöskään AKD:n valmistusreaktioissa syntynyt sivutuotteita, joten niiden osuutta oletettuun kineettiseen malliin ei tunneta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45 ja 50OC.

Lämmitysvoimalaitoksella tuotetun kaukolämpöenergian korvaaminen erillishankinnalla

Diplomityön tavoitteena on määrittää rajahinta Mertaniemen lämmitysvoimalaitoksella tuotetun kaukolämpöenergian korvaamiselle erillishankinnalla Lappeenrannan Energian kannalta tarkasteltuna. Tarkoituksena on muodostaa taulukkolaskentapohjat erilaisille lämmönkorvaustapauksille sekä päivittää kyseisen lämmitysvoimalaitoksen sähköteho/kaukolämpöteho -karakteristikat. Työssä selvitetään myös lämmön erillishankinnan vaikutusta laitoksen ajotapaan. Laadittujen laskentapohjien ja karakteristikoiden avulla arvioitiin erillishankinnan kannattavuutta suunnitellun UPM-Kymmene Oyj:n Kaukaan voimalaitoksen, paikkakunnan teollisuuslaitoksien, Mertaniemen voimalaitoksen kaasukattiloiden sekä Lappeenrannan Energian lämpökeskuksien lämmöntuotannon tapauksissa. Lisäksi työssä tehtiin kustannuslaskelma kiinteälle lämpökeskukselle sekä laadittiin optimointilaskelma lämmöntuotannon polttoaineiden käytölle. Tuloksiksi saatiin, että yhteistuotanto on erillishankintaa paljon edullisempaa kaikissa tapauksissa. Kaukaan voimalaitoshankkeesta Lappeenrannan Energia jättäytyi täten toistaiseksi pois. Paikkakunnan teollisuuslaitoksilta ostetaan lämpöä edelleen, koska se on todettu edulliseksi yhteistuotannon seisokkien aikaan. Lappeenrantaan suunnitellaan uutta kiinteää lämpökeskusta, mutta sen käyttö korvaamaan yhteistuotantoa ei kannata nykyisillä polttoaineen hinnoilla.