Brownian dynamics simulations of protein folding: Access to milliseconds time scale and beyond

Protein folding occurs on a time scale ranging from milliseconds to minutes for a majority of proteins. Computer simulation of protein folding, from a random configuration to the native structure, is nontrivial owing to the large disparity between the simulation and folding time scales. As an effort to overcome this limitation, simple models with idealized protein subdomains, e.g., the diffusion–collision model of Karplus and Weaver, have gained some popularity. We present here new results for the folding of a four-helix bundle within the framework of the diffusion–collision model. Even with such simplifying assumptions, a direct application of standard Brownian dynamics methods would consume 10,000 processor-years on current supercomputers. We circumvent this difficulty by invoking a special Brownian dynamics simulation. The method features the calculation of the mean passage time of an event from the flux overpopulation method and the sampling of events that lead to productive collisions even if their probability is extremely small (because of large free-energy barriers that separate them from the higher probability events). Using these developments, we demonstrate that a coarse-grained model of the four-helix bundle can be simulated in several days on current supercomputers. Furthermore, such simulations yield folding times that are in the range of time scales observed in experiments.

Extent of genomic rearrangement after genome duplication in yeast

Whole-genome duplication approximately 108 years ago was proposed as an explanation for the many duplicated chromosomal regions in Saccharomyces cerevisiae. Here we have used computer simulations and analytic methods to estimate some parameters describing the evolution of the yeast genome after this duplication event. Computer simulation of a model in which 8% of the original genes were retained in duplicate after genome duplication, and 70–100 reciprocal translocations occurred between chromosomes, produced arrangements of duplicated chromosomal regions very similar to the map of real duplications in yeast. An analytical method produced an independent estimate of 84 map disruptions. These results imply that many smaller duplicated chromosomal regions exist in the yeast genome in addition to the 55 originally reported. We also examined the possibility of determining the original order of chromosomal blocks in the ancestral unduplicated genome, but this cannot be done without information from one or more additional species. If the genome sequence of one other species (such as Kluyveromyces lactis) were known it should be possible to identify 150–200 paired regions covering the whole yeast genome and to reconstruct approximately two-thirds of the original order of blocks of genes in yeast. Rates of interchromosome translocation in yeast and mammals appear similar despite their very different rates of homologous recombination per kilobase.

The optimization principle in phylogenetic analysis tends to give incorrect topologies when the number of nucleotides or amino acids used is small

In the maximum parsimony (MP) and minimum evolution (ME) methods of phylogenetic inference, evolutionary trees are constructed by searching for the topology that shows the minimum number of mutational changes required (M) and the smallest sum of branch lengths (S), respectively, whereas in the maximum likelihood (ML) method the topology showing the highest maximum likelihood (A) of observing a given data set is chosen. However, the theoretical basis of the optimization principle remains unclear. We therefore examined the relationships of M, S, and A for the MP, ME, and ML trees with those for the true tree by using computer simulation. The results show that M and S are generally greater for the true tree than for the MP and ME trees when the number of nucleotides examined (n) is relatively small, whereas A is generally lower for the true tree than for the ML tree. This finding indicates that the optimization principle tends to give incorrect topologies when n is small. To deal with this disturbing property of the optimization principle, we suggest that more attention should be given to testing the statistical reliability of an estimated tree rather than to finding the optimal tree with excessive efforts. When a reliability test is conducted, simplified MP, ME, and ML algorithms such as the neighbor-joining method generally give conclusions about phylogenetic inference very similar to those obtained by the more extensive tree search algorithms.

Neuronal type information encoded in the basic-helix–loop–helix domain of proneural genes

The proneural genes encode basic-helix–loop–helix (bHLH) proteins and promote the formation of distinct types of sensory organs. In Drosophila, two sets of proneural genes, atonal (ato) and members of the achaete–scute complex (ASC), are required for the formation of chordotonal (ch) organs and external sensory (es) organs, respectively. We assayed the production of sensory organs in transgenic flies expressing chimeric genes of ato and scute (sc), a member of ASC, and found that the information that specifies ch organs resides in the bHLH domain of ato; chimeras containing the b domain of ato and the HLH domain of sc also induced ch organ formation, but to a lesser extent than those containing the bHLH domain of ato. The b domains of ato and sc differ in seven residues. Mutations of these seven residues in the b domain of ato suggest that most or perhaps all of these residues are required for induction of ch organs. None of these seven residues is predicted to contact DNA directly by computer simulation using the structure of the myogenic factor MyoD as a model, implying that interaction of ato with other cofactors is likely to be involved in neuronal type specification.

A neuronal model of a global workspace in effortful cognitive tasks

A minimal hypothesis is proposed concerning the brain processes underlying effortful tasks. It distinguishes two main computational spaces: a unique global workspace composed of distributed and heavily interconnected neurons with long-range axons, and a set of specialized and modular perceptual, motor, memory, evaluative, and attentional processors. Workspace neurons are mobilized in effortful tasks for which the specialized processors do not suffice. They selectively mobilize or suppress, through descending connections, the contribution of specific processor neurons. In the course of task performance, workspace neurons become spontaneously coactivated, forming discrete though variable spatio-temporal patterns subject to modulation by vigilance signals and to selection by reward signals. A computer simulation of the Stroop task shows workspace activation to increase during acquisition of a novel task, effortful execution, and after errors. We outline predictions for spatio-temporal activation patterns during brain imaging, particularly about the contribution of dorsolateral prefrontal cortex and anterior cingulate to the workspace.

Solvent dependence of dynamic transitions in protein solutions

A transition as a function of increasing temperature from harmonic to anharmonic dynamics has been observed in globular proteins by using spectroscopic, scattering, and computer simulation techniques. We present here results of a dynamic neutron scattering analysis of the solvent dependence of the picosecond-time scale dynamic transition behavior of solutions of a simple single-subunit enzyme, xylanase. The protein is examined in powder form, in D2O, and in four two-component perdeuterated single-phase cryosolvents in which it is active and stable. The scattering profiles of the mixed solvent systems in the absence of protein are also determined. The general features of the dynamic transition behavior of the protein solutions follow those of the solvents. The dynamic transition in all of the mixed cryosolvent–protein systems is much more gradual than in pure D2O, consistent with a distribution of energy barriers. The differences between the dynamic behaviors of the various cryosolvent protein solutions themselves are remarkably small. The results are consistent with a picture in which the picosecond-time scale atomic dynamics respond strongly to melting of pure water solvent but are relatively invariant in cryosolvents of differing compositions and melting points.

How amoeboids self-organize into a fruiting body: Multicellular coordination in Dictyostelium discoideum

When individual amoebae of the cellular slime mold Dictyostelium discoideum are starving, they aggregate to form a multicellular migrating slug, which moves toward a region suitable for culmination. The culmination of the morphogenesis involves complex cell movements that transform a mound of cells into a globule of spores on a slender stalk. The movement has been likened to a “reverse fountain,” whereby prestalk cells in the upper part form a stalk that moves downwards and anchors to the substratum, while prespore cells in the lower part move upwards to form the spore head. So far, however, no satisfactory explanation has been produced for this process. Using a computer simulation that we developed, we now demonstrate that the processes that are essential during the earlier stages of the morphogenesis are in fact sufficient to produce the dynamics of the culmination stage. These processes are cAMP signaling, differential adhesion, cell differentiation, and production of extracellular matrix. Our model clarifies the processes that generate the observed cell movements. More specifically, we show that periodic upward movements, caused by chemotactic motion, are essential for successful culmination, because the pressure waves they induce squeeze the stalk downwards through the cell mass. The mechanisms revealed by our model have a number of self-organizing and self-correcting properties and can account for many previously unconnected and unexplained experimental observations.

Positive genetic feedback governs cAMP spiral wave formation in Dictyostelium.

The aggregation stage of the life cycle of Dictyostelium discoideum is governed by the chemotactic response of individual amoebae to excitable waves of cAMP. We modeled this process through a recently introduced hybrid automata-continuum scheme and used computer simulation to unravel the role of specific components of this complex developmental process. Our results indicated an essential role for positive feedback between the cAMP signaling and the expression of the genes encoding the signal transduction and response machinery.

A general additive distance with time-reversibility and rate variation among nucleotide sites.

As additivity is a very useful property for a distance measure, a general additive distance is proposed under the stationary time-reversible (SR) model of nucleotide substitution or, more generally, under the stationary, time-reversible, and rate variable (SRV) model, which allows rate variation among nucleotide sites. A method for estimating the mean distance and the sampling variance is developed. In addition, a method is developed for estimating the variance-covariance matrix of distances, which is useful for the statistical test of phylogenies and molecular clocks. Computer simulation shows (i) if the sequences are longer than, say, 1000 bp, the SR method is preferable to simpler methods; (ii) the SR method is robust against deviations from time-reversibility; (iii) when the rate varies among sites, the SRV method is much better than the SR method because the distance is seriously underestimated by the SR method; and (iv) our method for estimating the sampling variance is accurate for sequences longer than 500 bp. Finally, a test is constructed for testing whether DNA evolution follows a general Markovian model.

A structural basis for a phosphoramide mustard-induced DNA interstrand cross-link at 5'-d(GAC).

Phosphoramide mustard-induced DNA interstrand cross-links were studied both in vitro and by computer simulation. The local determinants for the formation of phosphoramide mustard-induced DNA interstrand cross-links were defined by using different pairs of synthetic oligonucleotide duplexes, each of which contained a single potentially cross-linkable site. Phosphoramide mustard was found to cross-link dG to dG at a 5'-d(GAC)-3'. The structural basis for the formation of this 1,3 cross-link was studied by molecular dynamics and quantum chemistry. Molecular dynamics indicated that the geometrical proximity of the binding sites also favored a 1,3 dG-to-dG linkage over a 1,2 dG-to-dG linkage in a 5'-d(GCC)-3' sequence. While the enthalpies of 1,2 and 1,3 mustard cross-linked DNA were found to be very close, a 1,3 structure was more flexible and may therefore be in a considerably higher entropic state.

Desenvolvimento de um modelo baseado em agentes para investigar a conformação e evolução de padrões populacionais de atividade física no lazer em adultos

Introdução: Grande parte das ações para promover a atividade física no lazer em populações tem apresentado tamanhos de efeito pequenos ou inexistentes, ou resultados inconsistentes. Abordar o problema a partir da perspectiva sistêmica pode ser uma das formas de superar esse descompasso. Objetivo: Desenvolver um modelo baseado em agentes para investigar a conformação e evolução de padrões populacionais de atividade física no lazer em adultos a partir da interação entre atributos psicológicos dos indivíduos e atributos dos ambientes físico construído e social em que vivem. Métodos: O processo de modelagem foi composto por três etapas: elaboração de um mapa conceitual, com base em revisão da literatura e consulta com especialistas; criação e verificação do algoritmo do modelo; e parametrização e análise de consistência e sensibilidade. Os resultados da revisão da literatura foram consolidados e relatados de acordo com os domínios da busca (aspectos psicológicos, ambiente social e ambiente físico construído). Os resultados quantitativos da consulta com os especialistas foram descritos por meio de frequências e o conteúdo das respostas questões abertas foi analisado e compilado pelo autor desta tese. O algoritmo do modelo foi criado no software NetLogo, versão 5.2.1., seguindo-se um protocolo de verificação para garantir que o algoritmo fosse implementado acuradamente. Nas análises de consistência e sensibilidade, utilizaram-se o Teste A de Vargha-Delaney, coeficiente de correlação de postos parcial, boxplots e gráficos de linha e de dispersão. Resultados: Definiram-se como elementos do mapa conceitual a intenção da pessoa, o comportamento de pessoas próximas e da comunidade, e a percepção da qualidade, do acesso e das atividades disponíveis nos locais em que atividade física no lazer pode ser praticada. O modelo representa uma comunidade hipotética contendo dois tipos de agentes: pessoas e locais em que atividade física no lazer pode ser praticada. As pessoas interagem entre si e com o ambiente construído, gerando tendências temporais populacionais de prática de atividade física no lazer e de intenção. As análises de sensibilidade indicaram que as tendências temporais de atividade física no lazer e de intenção são altamente sensíveis à influência do comportamento atual da pessoa sobre a sua intenção futura, ao tamanho do raio de percepção da pessoa e à proporção de locais em que a atividade física no lazer pode ser praticada. Considerações finais: O mapa conceitual e o modelo baseado em agentes se mostraram adequados para investigar a conformação e evolução de padrões populacionais de atividade física no lazer em adultos. A influência do comportamento da pessoa sobre a sua intenção, o tamanho do raio de percepção da pessoa e a proporção de locais em que a atividade física no lazer pode ser praticada são importantes determinantes da conformação e evolução dos padrões populacionais de atividade física no lazer entre adultos no modelo.

Desenvolvimento de microssensores eletroquímicos e aplicações no estudo de processos dinâmicos interfaciais utilizando microscopia eletroquímica de varredura

O trabalho descrito nesta tese mostra de forma detalhada a fabricação e caracterização de diferentes microssensores eletroquímicos os quais têm sido recentemente utilizados como sondas em grupo de técnicas conhecida como Scanning Electrochemical Probe Microscopy (SEPM). Desta forma, a caracterização de superfícies pode ser feita explorando diferentes fenômenos interfaciais relevantes à Ciência. Neste sentido, as interfaces de materiais cristalinos como hidroxiapatita (materiais dentários) e calcita foram o foco de estudo neste trabalho. Assim, diferentes técnicas SEPM foram exploradas no sentido de se obter informações relevantes relacionadas aos processos dentários, como a erosão ácida e hipersensibilidade. Inicialmente, microeletrodos de platina foram desenvolvidos empregando uma metodologia convencional na qual são utilizados microfibras encapsuladas em capilares de vidro. Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) no modo amperométrico foi utilizada para obtenção de informações com relação às alterações de topografia do esmalte dentário causadas pelo contato com substâncias ácidas. Adicionalmente, SECM foi empregada no estudo do transporte de espécies eletroativas em amostras de dentina e investigações relacionadas ao bloqueio dos túbulos empregando-se cremes dentais comerciais foram realizadas. A permeação de peróxido de hidrogênio pela dentina também foi estudada. Os resultados de SECM foram comparados com imagens SEM obtidas nas mesmas condições experimentais. Microeletrodos de membrana ionófora íon-seletiva (Ion Selective Microelectrodes-ISMEs) sensíveis a íons cálcio também foram desenvolvidos e caracterizados, com subsequente aplicação em SECM no modo potenciométrico. A dissolução ácida de esmalte bovino (erosão dentária) foi investigada em diferentes valores de pH (2,5; 4,5; 6,8). Além disso, o transporte de íons cálcio através de membranas porosas sintéticas foi avaliado a uma distância tip/substrato de 300µm. Alterações no fluxo de íons cálcio foram correlacionadas em experimentos realizados na presença e ausência de campos magnéticos gerados por nanopartículas de magnetita incorporadas à membrana porosa. Microcristais de calcita facilmente sintetizados pelo método de precipitação foram utilizados como superfície modelo para investigações interfaciais, cujos resultados podem ser correlacionados aos materiais dentários. Desta forma, nanopipetas de vidro preenchidas com eletrólito suporte foram fabricadas e utilizadas como sonda em Scanning Ion Conductance Microscopy (SICM). O mapeamento topográfico de alta resolução espacial da superfície de um microcristal de calcita foi obtido utilizando o modo de varredura hopping mode. Adicionalmente, sondas multifuncionais ISME-SICM também foram desenvolvidas e caracterizadas para investigações simultâneas com relação às alterações topográficas e quantificação de íons cálcio sobre a superfície de um microcristal de calcita. A adição de reagentes ácidos no canal SICM promoveu a dissolução da superfície do microcristal, sendo obtidos dados cinéticos de dissolução. Investigações em meio neutro também foram realizadas utilizando a sonda ISME-SICM. Os resultados experimentais obtidos também foram comparados com aqueles oriundos de simulação computacional.

Incorporação do espalhamento Compton no modelo de TBC modificado

No último século, houve grande avanço no entendimento das interações das radiações com a matéria. Essa compreensão se faz necessária para diversas aplicações, entre elas o uso de raios X no diagnóstico por imagens. Neste caso, imagens são formadas pelo contraste resultante da diferença na atenuação dos raios X pelos diferentes tecidos do corpo. Entretanto, algumas das interações dos raios X com a matéria podem levar à redução da qualidade destas imagens, como é o caso dos fenômenos de espalhamento. Muitas abordagens foram propostas para estimar a distribuição espectral de fótons espalhados por uma barreira, ou seja, como no caso de um feixe de campo largo, ao atingir um plano detector, tais como modelos que utilizam métodos de Monte Carlo e modelos que utilizam aproximações analíticas. Supondo-se um espectro de um feixe primário que não interage com nenhum objeto após sua emissão pelo tubo de raios X, este espectro é, essencialmente representado pelos modelos propostos anteriormente. Contudo, considerando-se um feixe largo de radiação X, interagindo com um objeto, a radiação a ser detectada por um espectrômetro, passa a ser composta pelo feixe primário, atenuado pelo material adicionado, e uma fração de radiação espalhada. A soma destas duas contribuições passa a compor o feixe resultante. Esta soma do feixe primário atenuado, com o feixe de radiação espalhada, é o que se mede em um detector real na condição de feixe largo. O modelo proposto neste trabalho visa calcular o espectro de um tubo de raios X, em situação de feixe largo, o mais fidedigno possível ao que se medem em condições reais. Neste trabalho se propõe a discretização do volume de interação em pequenos elementos de volume, nos quais se calcula o espalhamento Compton, fazendo uso de um espectro de fótons gerado pelo Modelo de TBC, a equação de Klein-Nishina e considerações geométricas. Por fim, o espectro de fótons espalhados em cada elemento de volume é somado ao espalhamento dos demais elementos de volume, resultando no espectro total espalhado. O modelo proposto foi implementado em ambiente computacional MATLAB® e comparado com medições experimentais para sua validação. O modelo proposto foi capaz de produzir espectros espalhados em diferentes condições, apresentando boa conformidade com os valores medidos, tanto em termos quantitativos, nas quais a diferença entre kerma no ar calculado e kerma no ar medido é menor que 10%, quanto qualitativos, com fatores de mérito superiores a 90%.

High-speed polynomial basis multipliers over GF(2(m)) for special pentanomial.

Efficient hardware implementations of arithmetic operations in the Galois field are highly desirable for several applications, such as coding theory, computer algebra and cryptography. Among these operations, multiplication is of special interest because it is considered the most important building block. Therefore, high-speed algorithms and hardware architectures for computing multiplication are highly required. In this paper, bit-parallel polynomial basis multipliers over the binary field GF(2(m)) generated using type II irreducible pentanomials are considered. The multiplier here presented has the lowest time complexity known to date for similar multipliers based on this type of irreducible pentanomials.

Análise de conflitos de usos múltiplos da água auxiliada por simulação computacional: bacia do rio Sapucaí - Mirim/Grande

Na mesma proporção que fontes de água potável são reduzidas, a competição por elas tem aumentado, conseqüência imediata da expansão de áreas urbanas e de novas demandas agro-industriais. Os conflitos gerados por esta competição tendem a comprometer o desenvolvimento sustentável e o progresso de uma forma geral, uma vez que resultam em perda de eficácia para vultuosos investimentos públicos e privados e em prejuízos para os usuários menos estruturados. Considerando os fatos acima, o objeto deste trabalho é o estabelecimento de cenários de alocação das disponibilidades hídricas entre usuários de água da bacia do Sapucaí-Mirim/Grande, visando determinar a convivência harmoniosa das várias finalidades de uso provenientes do mesmo recurso hídrico. Tal meta poderá ser alcançada através da análise dos indicadores de desempenho - confiabilidade, vulnerabilidade e resiliência - do sistema os quais serão obtidos com o auxílio do modelo de simulação IRAS (Interactive River Aquifer Simulation).