930 resultados para Molecules - Models - Computer simulation
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Tranformed-rule up and down psychophysical methods have gained great popularity, mainly because they combine criterion-free responses with an adaptive procedure allowing rapid determination of an average stimulus threshold at various criterion levels of correct responses. The statistical theory underlying the methods now in routine use is based on sets of consecutive responses with assumed constant probabilities of occurrence. The response rules requiring consecutive responses prevent the possibility of using the most desirable response criterion, that of 75% correct responses. The earliest transformed-rule up and down method, whose rules included nonconsecutive responses, did not contain this limitation but failed to become generally accepted, lacking a published theoretical foundation. Such a foundation is provided in this article and is validated empirically with the help of experiments on human subjects and a computer simulation. In addition to allowing the criterion of 75% correct responses, the method is more efficient than the methods excluding nonconsecutive responses in their rules.
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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.
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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.
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The relationship between the optimization of the potential function and the foldability of theoretical protein models is studied based on investigations of a 27-mer cubic-lattice protein model and a more realistic lattice model for the protein crambin. In both the simple and the more complicated systems, optimization of the energy parameters achieves significant improvements in the statistical-mechanical characteristics of the systems and leads to foldable protein models in simulation experiments. The foldability of the protein models is characterized by their statistical-mechanical properties--e.g., by the density of states and by Monte Carlo folding simulations of the models. With optimized energy parameters, a high level of consistency exists among different interactions in the native structures of the protein models, as revealed by a correlation function between the optimized energy parameters and the native structure of the model proteins. The results of this work are relevant to the design of a general potential function for folding proteins by theoretical simulations.
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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.
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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.
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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).
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O objeto deste trabalho é a análise do aproveitamento múltiplo do reservatório de Barra Bonita, localizado na confluência entre os rios Piracicaba e Tietê, no estado de São Paulo e pertencente ao chamado sistema Tietê-Paraná. Será realizada a otimização da operação do reservatório, através de programação linear, com o objetivo de aumentar a geração de energia elétrica, através da maximização da vazão turbinada. Em seguida, a partir dos resultados da otimização da geração de energia, serão utilizadas técnicas de simulação computacional, para se obter índices de desempenho conhecidos como confiabilidade, resiliência e vulnerabilidade, além de outros fornecidos pelo próprio modelo de simulação a ser utilizado. Estes índices auxiliam a avaliação da freqüência, magnitude e duração dos possíveis conflitos existentes. Serão analisados os possíveis conflitos entre a navegação, o armazenamento no reservatório, a geração de energia e a ocorrência de enchentes na cidade de Barra Bonita, localizada a jusante da barragem.
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Este trabalho trata da proposta para a produção carbonato de glicerila como continuação de trabalho de Mestrado. Propõe-se estabelecer uma sequência para a obtenção e a purificação do produto, que envolve remoção e o aproveitamento de amônia e a remoção de eletrólitos, bem como a utilização de novos catalisadores. De maneira geral, análises espectrofotométricas demonstraram que o produto purificado apresentou características semelhantes às da especificação constante de produto já existente no mercado cedido para comparação (JEFFSOL®, Huntsman). Além disso, foi calculado o custo de produção tanto em escala laboratorial como em escala industrial. Análises de Ressonância Magnética Nuclear e Cromatografia a Gás, aliadas à Espectrofotometria no Infravermelho permitiram avaliar tanto a evolução das reações, bem como os rendimentos reacionais. Foi demonstrada a aplicabilidade das técnicas de RMN 1H e 13C para o cálculo dos rendimentos reacionais, bem como para a elucidação dos mecanismos reacionais. A partir de análises em escala laboratorial, foi possível verificar que, para as condições reacionais estudadas foram obtidas baixas conversões da glicerina e baixas seletividades para o carbonato de glicerila. E ainda, o sulfato de zinco apresentou o melhor desempenho. É importante salientar que, mesmo para baixas conversões, sua produção ainda é economicamente viável devido ao seu elevado valor de mercado. O estudo da produção em escala industrial contemplou a síntese de fluxograma de processo e posterior simulação, incluindo o dimensionamento dos principais equipamentos de processo para fins de análise econômica, via calculo de custos de capital (CAPEX) e operacionais (OPEX). Os resultados indicaram viabilidade econômica do projeto, sendo demonstrado que a implantação de uma nova unidade de produção de carbonato de glicerila pode ser bastante rentável mesmo para baixos rendimentos. O produto obtido possui diversas e interessantes aplicações cosméticas e farmacêuticas, principalmente por ser um tensoativo não iônico, de baixa toxicidade, biodegradável e produzido a partir de fontes renováveis. Assim, o carbonato de glicerila produzido é uma interessante forma de aproveitamento da glicerina proveniente da fabricação de biodiesel.