An RNA topoisomerase.

A synthetic strand of RNA has been designed so that it can adopt two different topological states (a circle and a trefoil knot) when ligated into a cyclic molecule. The RNA knot and circle have been characterized by their behavior in gel electrophoresis and sedimentation experiments. This system allows one to assay for the existence of an RNA topoisomerase, because the two RNA molecules can be inter-converted only by a strand passage event. We find that the interconversion of these two species can be catalyzed by Escherichia coli DNA topoisomerase III, indicating that this enzyme can act as an RNA topoisomerase. The conversion of circles to knots is accompanied by a small amount of RNA catenane generation. These findings suggest that strand passage must be considered a potential component of the folding and modification of RNA structures.

Structure and conformational changes of DNA topoisomerase II visualized by electron microscopy.

Type II DNA topoisomerases, which create a transient gate in duplex DNA and transfer a second duplex DNA through this gate, are essential for topological transformations of DNA in prokaryotic and eukaryotic cells and are of interest not only from a mechanistic perspective but also because they are targets of agents for anticancer and antimicrobial chemotherapy. Here we describe the structure of the molecule of human topoisomerase II [DNA topoisomerase (ATP-hydrolyzing), EC 5.99.1.3] as seen by scanning transmission electron microscopy. A globular approximately 90-angstrom diameter core is connected by linkers to two approximately 50-angstrom domains, which were shown by comparison with genetically truncated Saccharomyces cerevisiae topoisomerase II to contain the N-terminal region of the approximately 170-kDa subunits and that are seen in different orientations. When the ATP-binding site is occupied by a nonhydrolyzable ATP analog, a quite different structure is seen that results from a major conformational change and consists of two domains approximately 90 angstrom and approximately 60 angstrom in diameter connected by a linker, and in which the N-terminal domains have interacted. About two-thirds of the molecules show an approximately 25 A tunnel in the apical part of the large domain, and the remainder contain an internal cavity approximately 30 A wide in the large domain close to the linker region. We propose that structural rearrangements lead to this displacement of an internal tunnel. The tunnel is likely to represent the channel through which one DNA duplex, after capture in the clamp formed by the N-terminal domains, is transferred across the interface between the enzyme's subunits. These images are consistent with biochemical observations and provide a structural basis for understanding the reaction of topoisomerase II.

A single residue in the M2-M3 loop is a major determinant of coupling between binding and gating in neuronal nicotinic receptors.

Binding of agonists to nicotinic acetylcholine receptors generates a sequence of changes that activate a cation-selective conductance. By measuring electrophysiological responses in chimeric alpha7/alpha3 receptors expressed in Xenopus oocytes, we have showed the involvement of the M2-M3 loop in coupling agonist binding to the channel gate. An aspartate residue therein, Asp-266 in the alpha7 subunit, was identified by site-directed mutagenesis as crucial, since mutants at this position exhibited very poor functional responses to three different nicotinic agonists. We have extended this investigation to another neuronal nicotinic receptor (alpha3/beta4), and found that a homologous residue in the beta4 subunit, Asp-268, played a similar role in coupling. These findings are consistent with a hypothesis that the aspartate residue in the M2-M3 loop, which is conserved in all homomer-forming alpha-type subunits and all neuronal beta-type subunits that combine to form functional receptors, is a major determinant of information transmission from binding site to channel gate in all neuronal nicotinic receptors.

Intradimerically tethered DNA topoisomerase II is catalytically active in DNA transport.

A covalently cross-linked dimer of yeast DNA topoisomerase II was created by fusing the enzyme with the GCN4 leucine zipper followed by two glycines and a cysteine. Upon oxidation of the chimeric protein, a disulfide bond forms between the two carboxyl termini, covalently and intradimerically cross-linking the two protomers. In addition, all nine of the cysteines naturally occurring in topoisomerase II have been changed to alanines in this construct. This cross-linked, cysteine-less topoisomerase II is catalytically active in DNA duplex passage as indicated by ATP-dependent DNA supercoil relaxation and kinetoplast DNA decatenation assays. However, these experiments do not directly distinguish between a "one-gate" and a "two-gate" mechanism for the enzyme.

Tunable Raman photons in singly charged p-doped quantum dots

The obtention of spontaneous Raman photons is analyzed in singly charged p-doped quantum dots in the absence of an external magnetic field. The use of a far detuned single driving laser allows to obtain a Raman photon line which exhibits subnatural linewidth, and whose center can be tuned by changing the detuning and/or the Rabi frequency of the driving field. The Raman photons are produced along the undriven transition and they arise from the weak interaction of the trion states with the nuclear spins. The operating point for the gate voltage of the heterostructure can also be used to modify the linewidth and the peak value of the fluorescent signal.

Critical properties of the four-state commutative random permutation glassy Potts model in three and four dimensions

We investigate the critical properties of the four-state commutative random permutation glassy Potts model in three and four dimensions by means of Monte Carlo simulations and a finite-size scaling analysis. By using a field programmable gate array, we have been able to thermalize a large number of samples of systems with large volume. This has allowed us to observe a spin-glass ordered phase in d=4 and to study the critical properties of the transition. In d=3, our results are consistent with the presence of a Kosterlitz-Thouless transition, but also with different scenarios: transient effects due to a value of the lower critical dimension slightly below 3 could be very important.

Análise da dinâmica e quantificação metabólica de imagens de medicina nuclear na modalidade PET/CT.

A presença da Medicina Nuclear como modalidade de obtenção de imagens médicas é um dos principais procedimentos utilizados hoje nos centros de saúde, tendo como grande vantagem a capacidade de analisar o comportamento metabólico do paciente, traduzindo-se em diagnósticos precoces. Entretanto, sabe-se que a quantificação em Medicina Nuclear é dificultada por diversos fatores, entre os quais estão a correção de atenuação, espalhamento, algoritmos de reconstrução e modelos assumidos. Neste contexto, o principal objetivo deste projeto foi melhorar a acurácia e a precisão na análise de imagens de PET/CT via processos realísticos e bem controlados. Para esse fim, foi proposta a elaboração de uma estrutura modular, a qual está composta por um conjunto de passos consecutivamente interligados começando com a simulação de phantoms antropomórficos 3D para posteriormente gerar as projeções realísticas PET/CT usando a plataforma GATE (com simulação de Monte Carlo), em seguida é aplicada uma etapa de reconstrução de imagens 3D, na sequência as imagens são filtradas (por meio do filtro de Anscombe/Wiener para a redução de ruído Poisson caraterístico deste tipo de imagens) e, segmentadas (baseados na teoria Fuzzy Connectedness). Uma vez definida a região de interesse (ROI) foram produzidas as Curvas de Atividade de Entrada e Resultante requeridas no processo de análise da dinâmica de compartimentos com o qual foi obtida a quantificação do metabolismo do órgão ou estrutura de estudo. Finalmente, de uma maneira semelhante imagens PET/CT reais fornecidas pelo Instituto do Coração (InCor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HC-FMUSP) foram analisadas. Portanto, concluiu-se que a etapa de filtragem tridimensional usando o filtro Anscombe/Wiener foi relevante e de alto impacto no processo de quantificação metabólica e em outras etapas importantes do projeto em geral.

Estudo de transistores de tunelamento induzido por efeito de campo (TFET) construídos em nanofio.

Esse trabalho de mestrado teve como estudo o transistor Túnel-FET (TFET) fabricado em estrutura de nanofio de silício. Este estudo foi feito de forma teórica (simulação numérica) e experimental. Foram estudadas as principais características digitais e analógicas do dispositivo e seu potencial para uso em circuitos integrados avançados para a próxima década. A análise foi feita através da extração experimental e estudo dos principais parâmetros do dispositivo, tais como inclinação de sublimiar, transcondutância (gm), condutância de saída (gd), ganho intrínseco de tensão (AV) e eficiência do transistor. As medidas experimentais foram comparadas com os resultados obtidos pela simulação. Através do uso de diferentes parâmetros de ajuste e modelos de simulação, justificou-se o comportamento do dispositivo observado experimentalmente. Durante a execução deste trabalho estudou-se a influência da escolha do material de fonte no desempenho do dispositivo, bem como o impacto do diâmetro do nanofio nos principais parâmetros analógicos do transistor. Os dispositivos compostos por fonte de SiGe apresentaram valores maiores de gm e gd do que aqueles compostos por fonte de silício. A diferença percentual entre os valores de transcondutância para os diferentes materiais de fonte variou de 43% a 96%, sendo dependente do método utilizado para comparação, e a diferença percentual entre os valores de condutância de saída variou de 38% a 91%. Observou-se também uma degradação no valor de AV com a redução do diâmetro do nanofio. O ganho calculado a partir das medidas experimentais para o dispositivo com diâmetro de 50 nm é aproximadamente 45% menor do que o correspondente ao diâmetro de 110 nm. Adicionalmente estudou-se o impacto do diâmetro considerando diferentes polarizações de porta (VG) e concluiu-se que os TFETs apresentam melhor desempenho para baixos valores de VG (houve uma redução de aproximadamente 88% no valor de AV com o aumento da tensão de porta de 1,25 V para 1,9 V). A sobreposição entre porta e fonte e o perfil de dopantes na junção de tunelamento também foram analisados a fim de compreender qual combinação dessas características resultariam em um melhor desempenho do dispositivo. Observou-se que os melhores resultados estavam associados a um alinhamento entre o eletrodo de porta e a junção entre fonte e canal e a um perfil abrupto de dopantes na junção. Por fim comparou-se a tecnologia MOS com o TFET, obtendo-se como resultado um maior valor de AV (maior do que 40 dB) para o TFET.

Caracterização elétrica de túnel-FET em estrutura de nanofio com fontes de SiGe e Ge em função da temperatura.

Este trabalho teve como objetivo estudar os transistores de tunelamento por efeito de campo em estruturas de nanofio (NW-TFET), sendo realizado através de analises com base em explicações teóricas, simulações numéricas e medidas experimentais. A fim de avaliar melhorar o desempenho do NW-TFET, este trabalho utilizou dispositivos com diferentes materiais de fonte, sendo eles: Si, liga SiGe e Ge, além da variação da espessura de HfO2 no material do dielétrico de porta. Com o auxílio de simulações numéricas foram obtidos os diagramas de bandas de energia dos dispositivos NW-TFET com fonte de Si0,73Ge0,27 e foi analisada a influência de cada um dos mecanismos de transporte de portadores para diversas condições de polarização, sendo observado a predominância da influência da recombinação e geração Shockley-Read-Hall (SRH) na corrente de desligamento, do tunelamento induzido por armadilhas (TAT) para baixos valores de tensões de porta (0,5V > VGS > 1,5V) e do tunelamento direto de banda para banda (BTBT) para maiores valores tensões de porta (VGS > 1,5V). A predominância de cada um desses mecanismos de transporte foi posteriormente comprovada com a utilização do método de Arrhenius, sendo este método adotado em todas as análises do trabalho. O comportamento relativamente constante da corrente dos NW-TFETs com a temperatura na região de BTBT tem chamado a atenção e por isso foi realizado o estudo dos parâmetros analógicos em função da temperatura. Este estudo foi realizado comparando a influência dos diferentes materiais de fonte. O uso de Ge na fonte, permitiu a melhora na corrente de tunelamento, devido à sua menor banda proibida, aumentando a corrente de funcionamento (ION) e a transcondutância do dispositivo. Porém, devido à forte dependência de BTBT com o campo elétrico, o uso de Ge na fonte resulta em uma maior degradação da condutância de saída. Entretanto, a redução da espessura de HfO2 no dielétrico de porta resultou no melhor acoplamento eletrostático, também aumentando a corrente de tunelamento, fazendo com que o dispositivo com fonte Ge e menor HfO2 apresentasse melhores resultados analógicos quando comparado ao puramente de Si. O uso de diferentes materiais durante o processo de fabricação induz ao aumento de defeitos nas interfaces do dispositivo. Ao longo deste trabalho foi realizado o estudo da influência da densidade de armadilhas de interface na corrente do dispositivo, demonstrando uma relação direta com o TAT e a formação de uma região de platô nas curvas de IDS x VGS, além de uma forte dependência com a temperatura, aumentando a degradação da corrente para temperaturas mais altas. Além disso, o uso de Ge introduziu maior número de impurezas no óxido, e através do estudo de ruído foi observado que o aumento na densidade de armadilhas no óxido resultou no aumento do ruído flicker em baixa frequência, que para o TFET, ocorre devido ao armadilhamento e desarmadilhamento de elétrons na região do óxido. E mais uma vez, o melhor acoplamento eletrostático devido a redução da espessura de HfO2, resultou na redução desse ruído tornando-se melhor quando comparado à um TFET puramente de Si. Neste trabalho foi proposto um modelo de ruído em baixa frequência para o NW-TFET baseado no modelo para MOSFET. Foram realizadas apenas algumas modificações, e assim, obtendo uma boa concordância com os resultados experimentais na região onde o BTBT é o mecanismo de condução predominante.

Avaliação do ciclo de vida de blocos de concreto do mercado brasileiro: alvenaria e pavimentação.

A construção civil é responsável por relevante impacto ao meio ambiente, da extração das materiais-primas até a disposição dos seus resíduos em aterros. A avaliação do ciclo de vida (ACV) é uma ferramenta que possibilita a estimativa dos impactos ambientais potenciais do setor de forma sistemática. A simplificação da ACV, pelo uso de dados secundários e redução do escopo do estudo, facilita sua implementação como ferramenta de promoção da sustentabilidade. O objetivo dessa dissertação é estimar faixas dos cinco principais indicadores do setor de blocos de concreto do mercado brasileiro pela simplificação da ACV: consumo de materiais, energia incorporada, emissão de CO2, água e geração de resíduos. Este estudo foi o piloto do Projeto ACV Modular, iniciativa do Conselho Brasileiro de Construção Sustentável em parceria da Associação Brasileira de Cimento Portland e da Associação Brasileira da Indústria de Blocos de Concreto. O inventário foi desenvolvido com 33 fábricas localizadas em diferentes regiões do Brasil, estas sendo responsáveis por aproximadamente 50% da produção nacional. Os produtos selecionados foram blocos para pavimentação e alvenaria (estruturais e de vedação) considerados mais representativos no mercado. A fronteira do sistema adotada foi do berço ao portão da fábrica. O indicador de consumo de materiais não foi apresentado para garantir a confidencialidade dos dados das empresas, pois o teor de cimento foi dado direto informado no formulário. O indicador de resíduos não pode ser gerado devido a diferentes interpretações adotadas pelos fabricantes ao registrar seus dados. O indicador de água, apesar de incluir todo o consumo informado pela fábrica, apresentou valores muito baixos, alguns próximos a zero. O consumo de cimento, não o teor de clínquer, foi responsável por parcela significativa do CO2 e da energia incorporada do bloco, com participação de 62 a 99% das emissões de CO2. Assim, entre as empresas analisadas, mesmo com igual rota tecnológica, os insumos utilizados, a formulação do concreto, a eficiência de compactação da vibro prensa e o sistema produtivo tiveram maior influência nos indicadores de materiais, energia e CO2.

Coherent transport in graphene nanoconstrictions

We study the effect of a structural nanoconstriction on the coherent transport properties of otherwise ideal zigzag-edged infinitely long graphene ribbons. The electronic structure is calculated with the standard one-orbital tight-binding model and the linear conductance is obtained using the Landauer formula. We find that, since the zero-bias current is carried in the bulk of the ribbon, this is very robust with respect to a variety of constriction geometries and edge defects. In contrast, the curve of zero-bias conductance versus gate voltage departs from the (2n+1)e2∕h staircase of the ideal case as soon as a single atom is removed from the sample. We also find that wedge-shaped constrictions can present nonconducting states fully localized in the constriction close to the Fermi energy. The interest of these localized states in regards to the formation of quantum dots in graphene is discussed.

Electronic structure of gated graphene and graphene ribbons

We study the electronic structure of gated graphene sheets. We consider both infinite graphene and finite width ribbons. The effect of Coulomb interactions between the electrically injected carriers and the coupling to the external gate are computed self-consistently in the Hartree approximation. We compute the average density of extra carriers n2D, the number of occupied subbands, and the density profiles as a function of the gate potential Vg. We discuss quantum corrections to the classical capacitance and we calculate the threshold Vg above which semiconducting armchair ribbons conduct. We find that the ideal conductance of perfectly transmitting wide ribbons is proportional to the square root of the gate voltage.

Performance limits of graphene-ribbon field-effect transistors

The performance of field effect transistors based on an single graphene ribbon with a constriction and a single back gate are studied with the help of atomistic models. It is shown how this scheme, unlike that of traditional carbon-nanotube-based transistors, reduces the importance of the specifics of the chemical bonding to the metallic electrodes in favor of the carbon-based part of device. The ultimate performance limits are here studied for various constriction and metal-ribbon contact models. In particular, we show that, even for poorly contacting metals, properly tailored constrictions can give promising values for both the on conductance and the subthreshold swing.

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.

A Survey on FPGA-Based Sensor Systems: Towards Intelligent and Reconfigurable Low-Power Sensors for Computer Vision, Control and Signal Processing

The current trend in the evolution of sensor systems seeks ways to provide more accuracy and resolution, while at the same time decreasing the size and power consumption. The use of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) provides specific reprogrammable hardware technology that can be properly exploited to obtain a reconfigurable sensor system. This adaptation capability enables the implementation of complex applications using the partial reconfigurability at a very low-power consumption. For highly demanding tasks FPGAs have been favored due to the high efficiency provided by their architectural flexibility (parallelism, on-chip memory, etc.), reconfigurability and superb performance in the development of algorithms. FPGAs have improved the performance of sensor systems and have triggered a clear increase in their use in new fields of application. A new generation of smarter, reconfigurable and lower power consumption sensors is being developed in Spain based on FPGAs. In this paper, a review of these developments is presented, describing as well the FPGA technologies employed by the different research groups and providing an overview of future research within this field.