Highly plastic chromosomal organization in Salmonella typhi.

Gene order in the chromosomes of Escherichia coli K-12 and Salmonella typhimurium LT2, and in many other species of Salmonella, is strongly conserved, even though the genera diverged about 160 million years ago. However, partial digestion of chromosomal DNA of Salmonella typhi, the causal organism of typhoid fever, with the endonuclease I-CeuI followed by separation of the DNA fragments by pulsed-field gel electrophoresis showed that the chromosomes of independent wild-type isolates of S. typhi are rearranged due to homologous recombination between the seven rrn genes that code for ribosomal RNA. The order of genes within the I-CeuI fragments is largely conserved, but the order of the fragments on the chromosome is rearranged. Twenty-one different orders of the I-CeuI fragments were detected among the 127 wild-type strains we examined. Duplications and deletions were not found, but transpositions and inversions were common. Transpositions of I-CeuI fragments into sites that do not change their distance from the origin of replication (oriC) are frequently detected among the wild-type strains, but transpositions that move the fragments much further from oriC were rare. This supports the gene dosage hypothesis that genes at different distances from oriC have different gene dosages and, hence, different gene expression, and that during evolution genes become adapted to their specific location; thus, cells with changes in gene location due to transpositions may be less fit. Therefore, gene dosage may be one of the forces that conserves gene order, although its effects seem less strong in S. typhi than in other enteric bacteria. However, both the gene dosage and the genomic balance hypotheses, the latter of which states that the origin (oriC) and terminus (TER) of replication must be separated by 180 degrees C, need further investigation.

Ecdysone-inducible gene expression in mammalian cells and transgenic mice.

During metamorphosis of Drosophila melanogaster, a cascade of morphological changes is triggered by the steroid hormone 20-OH ecdysone via the ecdysone receptor, a member of the nuclear receptor superfamily. In this report, we have transferred insect hormone responsiveness to mammalian cells by the stable expression of a modified ecdysone receptor that regulates an optimized ecdysone responsive promoter. Inductions reaching 4 orders of magnitude have been achieved upon treatment with hormone. Transgenic mice expressing the modified ecdysone receptor can activate an integrated ecdysone responsive promoter upon administration of hormone. A comparison of tetracycline-based and ecdysone-based inducible systems reveals the ecdysone regulatory system exhibits lower basal activity and higher inducibility. Since ecdysone administration has no apparent effect on mammals, its use for regulating genes should be excellent for transient inducible expression of any gene in transgenic mice and for gene therapy.

FM1-43 dye ultrastructural localization in and release from frog motor nerve terminals.

Previous work has shown that the fluorescent styryl dye FM1-43 stains nerve terminals in an activity-dependent fashion. This dye appears to label the membranes of recycled synaptic vesicles by being trapped during endocytosis. Stained terminals can subsequently be destained by repeating nerve stimulation in the absence of dye; the destaining evidently reflects escape of dye into the bathing medium from membranes of exocytosing synaptic vesicles. In the present study we tested two key aspects of this interpretation of FM1-43 behavior, namely: (i) that the dye is localized in synaptic vesicles, and (ii) that it is actually released into the bathing medium during destaining. To accomplish this, we first photolyzed the internalized dye in the presence of diaminobenzidine. This created an electron-dense reaction product that could be visualized in the electron microscope. Reaction product was confined to synaptic vesicles, as predicted. Second, using spectrofluorometry, we quantified the release of dye liberated into the medium from tubocurarine-treated nerve-muscle preparations. Nerve stimulation increased the amount of FM1-43 released, and we estimate that normally a stained synaptic vesicle contains a few hundred molecules of the dye. The key to the successful detection of released FM1-43 was to add the micelle-forming detergent 3-[(3-cholamidopropyl)dimethylammonio]-1-propanesulfonate (CHAPS), which increased FM1-43 quantum yield by more than two orders of magnitude.

The Chlorella hexose/H+ symporter is a useful selectable marker and biochemical reagent when expressed in Volvox.

The multicellular obligately photoautotrophic alga Volvox is composed of only two types of cells, somatic and reproductive. Therefore, Volvox provides the simplest model system for the study of multicellularity. Metabolic labeling experiments using radioactive precursors are crucial for the detection of stage- and cell-type-specific proteins, glycoproteins, lipids, and carbohydrates. However, wild-type Volvox lacks import systems for sugars or amino acids. To circumvent this problem, the hexose/H+ symporter (HUP1) gene from the unicellular alga Chlorella was placed under the control of the constitutive Volvox beta-tubulin promoter. The corresponding transgenic Volvox strain synthesized the sugar transporter in a functional state and was able to efficiently incorporate 14C from labeled glucose or glucosamine. Sensitivity toward the toxic glucose/mannose analogue 2-deoxy-glucose increased by orders of magnitude in transformants. Thus we report the successful transformation of Volvox with a gene of heterologous origin. The chimeric gene may be selected for in either a positive or a negative manner, because transformants exhibit both prolonged survival in the dark in the presence of glucose and greatly increased sensitivity to the toxic sugar 2-deoxyglucose. The former trait may make the gene useful as a dominant selectable marker for use in transformation studies, whereas the latter trait may make it useful in development of a gene-targeting system.

Peptide conjugation to an in vitro-selected DNA ligand improves enzyme inhibition.

An in vitro selection technique was used to identify a specific high-affinity DNA ligand targeted to human neutrophil elastase (HNE). 1H NMR data and a comparative analysis of the selected sequences suggest that the DNA folds into a G-quartet structure with duplexed ends. The high-affinity binding DNA alone did not inhibit the enzymatic activity of HNE. The DNA was covalently attached to a tetrapeptide, N-methoxysuccinyl-Ala-Ala-Pro-Val, that is a weak competitive inhibitor of HNE. HNE was inhibited by this DNA-peptide conjugate nearly five orders of magnitude more effectively than by the peptide alone. These results demonstrate that in vitro-selected nucleic acids can be used as a vehicle for molecular delivery.

Dalla catalisi all’inibizione della crescita da contatto: le molteplici funzioni di O-acetilserina sulfidrilasi batterica

CysK, uno degli isoenzimi di O-acetilserina sulfidrilasi (OASS) presenti in piante e batteri, è un enzima studiato da molto tempo ed il suo ruolo fisiologico nella sintesi della cisteina è stato ben definito. Recentemente sono state scoperte altre funzioni apparentemente non collegate alla sua funzione enzimatica (moonlighting). Una di queste è l’attivazione di una tossina ad attività tRNAsica, CdiA-CT, coinvolta nel sistema di inibizione della crescita da contatto (CDI) di ceppi patogeni di E. coli. In questo progetto abbiamo studiato il ruolo di CysK nel sistema CDI e la formazione di complessi con due differenti partner proteici: CdiA-CT e CysE (serina acetiltransferasi, l’enzima che catalizza la reazione precedente nella biosintesi della cisteina). I due complessi hanno le stesse caratteristiche spettrofluorimetriche e affinità molto simili, ma la cinetica di raggiungimento dell’equilibrio per il complesso tossina:CysK è più lenta che per il complesso CysE:CysK (cisteina sintasi). In entrambi i casi la formazione veloce di un complesso d’incontro è seguita da un riarrangiamento conformazionale che porta alla formazione di un complesso ad alta affinità. L’efficienza di formazione del complesso cisteina sintasi è circa 200 volte maggiore rispetto al complesso CysK:tossina. Una differenza importante, oltre alla cinetica di formazione dei complessi, è la stechiometria di legame. Infatti mentre CysE riesce a legare solo uno dei due siti attivi del dimero di CysK, nel complesso con CdiA-CT entrambi i siti attivi dell’enzima risultano essere occupati. Le cellule isogeniche esprimono un peptide inibitore della tossina (CdiI), e sono quindi resistenti all’azione tRNAsica. Tuttavia, siccome CdiI non altera la formazione del complesso CdiA-CT:CysK, CdiA-CT può esercitare comunque un ruolo nel metabolismo della cisteina e quindi nella fitness dei batteri isogenici, attraverso il legame e l'inibizione di CysK e la competizione con CysE. La via biosintetica della cisteina, un precursore di molecole riducenti, risulta essere molto importante per i batteri soprattutto in condizioni avverse come all’interno dei macrofagi nelle infezioni persistenti. Perciò questa via metabolica è di interesse per lo sviluppo di nuovi antibiotici, e in particolare le due isoforme dell’OASS negli enterobatteri, CysK e CysM, sono potenziali target per lo sviluppo di nuove molecole ad azione antibatterica. Partendo dall’analisi delle modalità di interazione con CysK del suo partner ed inibitore fisiologico, CysE, si è studiato dapprima l’interazione di pentapeptidi che mimassero la regione C-terminale di quest'ultimo, e in base ai dati ottenuti sono stati sviluppati piccoli ligandi sintetici. La struttura generale di questi composti è costituita da un gruppo acido ed un gruppo lipofilo, separati da un linker ciclopropanico che mantiene questi due gruppi in conformazione trans, ottimale per l’interazione col sito attivo dell’enzima. Sulla base di queste considerazioni, di docking in silico e di dati sperimentali ottenuti con la tecnica dell’STD-NMR e con saggi di binding spettrofluorimetrici, si è potuta realizzare una analisi di relazione struttura-attività che ha portato via via all’ottimizzazione dei ligandi. Il composto più affine che è stato finora ottenuto ha una costante di dissociazione nel range del nanomolare per entrambe le isoforme, ed è un ottimo punto di partenza per lo sviluppo di nuovi farmaci.

Investigação do mecanismo cinético da reação de redução de oxigênio em solventes não aquosos

O aumento no consumo energético e a crescente preocupação ambiental frente à emissão de gases poluentes criam um apelo mundial favorável para pesquisas de novas tecnologias não poluentes de fontes de energia. Baterias recarregáveis de lítio-ar em solventes não aquosos possuem uma alta densidade de energia teórica (5200 Wh kg-1), o que as tornam promissoras para aplicação em dispositivos estacionários e em veículos elétricos. Entretanto, muitos problemas relacionados ao cátodo necessitam ser contornados para permitir a aplicação desta tecnologia, por exemplo, a baixa reversibilidade das reações, baixa potência e instabilidades dos materiais empregados nos eletrodos e dos solventes eletrolíticos. Assim, neste trabalho um modelo cinético foi empregado para os dados experimentais de espectroscopia de impedância eletroquímica, para a obtenção das constantes cinéticas das etapas elementares do mecanismo da reação de redução de oxigênio (RRO), o que permitiu investigar a influência de parâmetros como o tipo e tamanho de partícula do eletrocatalisador, o papel do solvente utilizado na RRO e compreender melhor as reações ocorridas no cátodo dessa bateria. A investigação inicial se deu com a utilização de sistemas menos complexos como uma folha de platina ou eletrodo de carbono vítreo como eletrodos de trabalho em 1,2-dimetoxietano (DME)/perclorato de lítio (LiClO4). A seguir, sistemas complexos com a presença de nanopartículas de carbono favoreceu o processo de adsorção das moléculas de oxigênio e aumentou ligeiramente (uma ordem de magnitude) a etapa de formação de superóxido de lítio (etapa determinante de reação) quando comparada com os eletrodos de platina e carbono vítreo, atribuída à presença dos grupos laterais mediando à transferência eletrônica para as moléculas de oxigênio. No entanto, foi observada uma rápida passivação da superfície eletrocatalítica através da formação de filmes finos de Li2O2 e Li2CO3 aumentando o sobrepotencial da bateria durante a carga (diferença de potencial entre a carga e descarga > 1 V). Adicionalmente, a incorporação das nanopartículas de platina (Ptnp), ao invés da folha de platina, resultou no aumento da constante cinética da etapa determinante da reação em duas ordens de magnitude, o qual pode ser atribuído a uma mudança das propriedades eletrônicas na banda d metálica em função do tamanho nanométrico das partículas, e estas modificações contribuíram para uma melhor eficiência energética quando comparado ao sistema sem a presença de eletrocatalisador. Entretanto, as Ptnp se mostraram não específicas para a RRO, catalisando as reações de degradação do solvente eletrolítico e diminuindo rapidamente a eficiência energética do dispositivo prático, devido ao acúmulo de material no eletrodo. O emprego de líquido iônico como solvente eletrolítico, ao invés de DME, promoveu uma maior estabilização do intermediário superóxido formado na primeira etapa de transferência eletrônica, devido à interação com os cátions do líquido iônico em solução, o qual resultou em um valor de constante cinética da formação do superóxido de três ordens de magnitude maior que o obtido com o mesmo eletrodo de carbono vítreo em DME, além de diminuir as reações de degradação do solvente. Estes fatores podem contribuir para uma maior potência e ciclabilidade da bateria de lítio-ar operando com líquidos iônicos.

Avaliação citotóxica de Amoxilina e Clavulanato de Potássio em mexilhões Perna perna

Compostos farmacêuticos são identificados em matrizes ambientais em ordens de grandeza de ng.L-1 a μg.L-1. Dentre os fármacos, os antibióticos têm recebido atenção especial devido aos problemas que podem causar à biota aquática. O objetivo do presente estudo foi avaliar a citotoxicidade de Amoxicilina e Clavulanato de Potássio isolados e em associação para mexilhões Perna perna utilizando o ensaio do tempo de retenção do corante vermelho neutro, que avalia a estabilidade da membrana lisossômica de hemócitos dos organismos teste. A Amoxicilina causou citotoxicidade aos mexilhões nas concentrações de: CEO: 1 ng.L-1, CI25-24h: 0,44 ng.L-1, CI25-48h: 1,19 ng.L-1 e CI25-72h: 0,85 ng.L-1, o Clavulanato de Potássio foi citotóxico nas concentrações de: 10 ng.L-1 em 24h e 50 ng.L-1 e 100 ng.L-1 em 48h e 72h. Os valores de concentração inibitória foram de CI25-24h: 3,11 ng.L-1, CI25-48h: 3,45 ng.L-1 e CI25-72h: 3,43 ng.L-1. No ensaio realizado com a associação dos fármacos todas as concentrações foram citotóxicas aos mexilhões em 48h e em 72h apenas 40 ng.L-1 de Amoxicilina + 10 ng.L-1 de Clavulanato de Potássio e 200 ng.L-1 de Amoxicilina + 50 ng.L-1 de Clavulanato de Potássio. As concentrações inibitórias foram: CI25-48h: 1,67 ng.L-1 e CI25-72h: 1,36 ng.L-1 a partir dos dados de Amoxicilina e CI25-48h: 0,42 ng.L-1 e CI25-72h: 0,34 ng.L-1 a partir dos dados de Clavulanato de Potássio.

Ianus: an adaptive FPGA computer

Dedicated machines designed for specific computational algorithms can outperform conventional computers by several orders of magnitude. In this note we describe Ianus, a new generation FPGA based machine and its basic features: hardware integration and wide reprogrammability. Our goal is to build a machine that can fully exploit the performance potential of new generation FPGA devices. We also plan a software platform which simplifies its programming, in order to extend its intended range of application to a wide class of interesting and computationally demanding problems. The decision to develop a dedicated processor is a complex one, involving careful assessment of its performance lead, during its expected lifetime, over traditional computers, taking into account their performance increase, as predicted by Moore’s law. We discuss this point in detail.

Métodos eficientes para criptografia baseada em reticulados.

Reticulados têm sido aplicados de diferentes maneiras em criptografia. Inicialmente utilizados para a destruição de criptossistemas, eles foram posteriormente aplicados na construção de novos esquemas, incluindo criptossistemas assimétricos, esquemas de assinatura cega e os primeiros métodos para encriptação completamente homomórfica. Contudo, seu desempenho ainda é proibitivamente lenta em muitos casos. Neste trabalho, expandimos técnicas originalmente desenvolvidas para encriptação homomórfica, tornando-as mais genéricas e aplicando-as no esquema GGH-YK-M, um esquema de encriptação de chave pública, e no esquema LMSV, a única construção homomórfica que não sucumbiu a ataques de recuperação de chaves IND-CCA1 até o momento. Em nossos testes, reduzimos o tamanho das chaves do GGH-YK-M em uma ordem de complexidade, especificamente, de O(n2 lg n) para O(n lg n), onde n é um parâmetro público do esquema. A nova técnica também atinge processamento mais rápido em todas as operações envolvidas em um criptossistema assimétrico, isto é, geração de chaves, encriptação e decriptação. A melhora mais significativa é na geração de chaves, que se torna mais de 3 ordens de magnitude mais rápida que resultados anteriores, enquanto a encriptação se torna por volta de 2 ordens de magnitude mais rápida. Para decriptação, nossa implementação é dez vezes mais rápida que a literatura. Também mostramos que é possível aumentar a segurança do esquema LMSV contra os ataques quânticos de recuperação de chaves recentemente publicados pela agência britânica GCHQ. Isso é feito através da adoção de reticulados não-ciclotômicos baseados em anéis polinomiais irredutíveis quase-circulantes. Em nossa implementação, o desempenho da encriptação é virtualmente idêntico, e a decriptação torna-se ligeiramente inferior, um pequeno preço a se pagar pelo aumento de segurança. A geração de chaves, porém, é muito mais lenta, devido à necessidade de se utilizar um método mais genérico e caro. A existência de métodos dedicados altamente eficientes para a geração de chaves nesta variante mais segura do LMSV permanece como um problema em aberto.

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.

Resolution limits to object tracking with subpixel accuracy

Subpixel methods increase the accuracy and efficiency of image detectors, processing units, and algorithms and provide very cost-effective systems for object tracking. Published methods achieve resolution increases up to three orders of magnitude. In this Letter, we demonstrate that this limit can be theoretically improved by several orders of magnitude, permitting micropixel and submicropixel accuracies. The necessary condition for movement detection is that one single pixel changes its status. We show that an appropriate target design increases the probability of a pixel change for arbitrarily small shifts, thus increasing the detection accuracy of a tracking system. The proposal does not impose severe restriction on the target nor on the sensor, thus allowing easy experimental implementation.

Oxygen evolution at ultrathin nanostructured Ni(OH)2 layers deposited on conducting glass

Ultrathin and transparent nanostructured Ni(OH)2 films were deposited on conducting glass (F:SnO2) by a urea-based chemical bath deposition method. By controlling the deposition time, the amount of deposited Ni(OH)2 was varied over 7 orders of magnitude. The turnover number for O2 generation, defined as the number of O2 molecules generated per catalytic site (Ni atom) and per second, increases drastically as the electrocatalyst amount decreases. The electrocatalytic activity of the studied samples (measured as the current density at a certain potential) increases with the amount of deposited Ni(OH)2 until a saturation value is already obtained for a thin film of around 1 nm in thickness, composed of Ni(OH)2 nanoplatelets lying flat on the conductive support. The deposition of additional amounts of catalyst generates a porous honeycomb structure that does not improve (only maintains) the electrocatalytic activity. The optimized ultrathin electrodes show a remarkable stability, which indicates that the preparation of highly transparent electrodes, efficient for oxygen evolution, with a minimum amount of nickel is possible.

Efficient tool path computation using multi-core GPUs

Tool path generation is one of the most complex problems in Computer Aided Manufacturing. Although some efficient strategies have been developed, most of them are only useful for standard machining. However, the algorithms used for tool path computation demand a higher computation performance, which makes the implementation on many existing systems very slow or even impractical. Hardware acceleration is an incremental solution that can be cleanly added to these systems while keeping everything else intact. It is completely transparent to the user. The cost is much lower and the development time is much shorter than replacing the computers by faster ones. This paper presents an optimisation that uses a specific graphic hardware approach using the power of multi-core Graphic Processing Units (GPUs) in order to improve the tool path computation. This improvement is applied on a highly accurate and robust tool path generation algorithm. The paper presents, as a case of study, a fully implemented algorithm used for turning lathe machining of shoe lasts. A comparative study will show the gain achieved in terms of total computing time. The execution time is almost two orders of magnitude faster than modern PCs.

Dyakonov surface waves in lossy metamaterials

We analyze the existence of localized waves in the vicinities of the interface between two dielectrics, provided one of them is uniaxial and lossy. We found two families of surface waves, one of them approaching the well-known Dyakonov surface waves (DSWs). In addition, a new family of wave fields exists which are tightly bound to the interface. Although its appearance is clearly associated with the dissipative character of the anisotropic material, the characteristic propagation length of such surface waves might surpass the working wavelength by nearly two orders of magnitude.