Outer membrane vesicles from cold-adapted antarctic bacteria

Many Gram-negative, cold-adapted bacteria from the Antarctic environment produce large amounts of extracellular matter with potential biotechnological applications. Transmission electron microscopy (TEM) analysis after high-pressure freezing and freeze substitution (HPF-FS) showed that this extracellular matter is structurally complex, appearing around cells as a netlike mesh, and composed of an exopolymeric substance (EPS) containing large numbers of outer membrane vesicles (OMVs). Isolation, purification and protein profiling via 1D SDS-PAGE confirmed the outer membrane origin of these Antarctic bacteria OMVs. In an initial attempt to elucidate the role of OMVs in cold-adapted strains of Gram-negative bacteria, a proteomic analysis demonstrated that they were highly enriched in outer membrane proteins and periplasmic proteins associated with nutrient processing and transport, suggesting that the OMVs may be involved in nutrient sensing and bacterial survival. OMVs from Gram-negative bacteria are known to play a role in lateral DNA transfer, but the presence of DNA in these vesicles has remained difficult to explain. A structural study of Shewanella vesiculosa M7T using TEM and Cryo-TEM revealed that this Antarctic Gram-negative bacterium naturally releases conventional one-bilayer OMVs, together with a more complex type of OMV, previously undescribed, which on formation drags along inner membrane and cytoplasmic content and can therefore also entrap DNA.

Tehokerrointa korjaava skalaariohjaus puoliohjatussa ja kuusikytkintasasuuntaajassa

Verkon harmonisvirtoja rajoittavien standardien tiukentuessa joudutaan etenkin suuritehoisissa tehoelektronisissa laitteissa siirtymään aktiivisiin transistoriohjattuihin tasasuuntaajiin, jotka korjaavat tehokerrointa ja siten pienentävät verkkoon kytkeytyviä häiriövirtoja. Tässä diplomityössä esitellään yleisimpien kolmivaiheisten tasasuuntaajatopologioiden eroja ja vertaillaan puoliohjatun kolmikytkintopologian ja kuusikytkintopologian suorituskykyä tehokertoimen ja harmonissärön osalta, 16 kilowatin teholuokan taajuusmuuttajassa. Tasasuuntaajille tehtiin skalaariohjaukseen perustuva simulointimalli. Työn tavoitteena esitellään simulointitulokset harmonistason sekä tehokertoimen osalta. Työ liittyy Lappeenrannan teknillisen yliopiston sovelletun elektroniikan laboratorion ja Vacon Oyj:n yhteiseen hankkeeseen.

Outer membrane vesicles from cold-adapted antarctic bacteria

Many Gram-negative, cold-adapted bacteria from the Antarctic environment produce large amounts of extracellular matter with potential biotechnological applications. Transmission electron microscopy (TEM) analysis after high-pressure freezing and freeze substitution (HPF-FS) showed that this extracellular matter is structurally complex, appearing around cells as a netlike mesh, and composed of an exopolymeric substance (EPS) containing large numbers of outer membrane vesicles (OMVs). Isolation, purification and protein profiling via 1D SDS-PAGE confirmed the outer membrane origin of these Antarctic bacteria OMVs. In an initial attempt to elucidate the role of OMVs in cold-adapted strains of Gram-negative bacteria, a proteomic analysis demonstrated that they were highly enriched in outer membrane proteins and periplasmic proteins associated with nutrient processing and transport, suggesting that the OMVs may be involved in nutrient sensing and bacterial survival. OMVs from Gram-negative bacteria are known to play a role in lateral DNA transfer, but the presence of DNA in these vesicles has remained difficult to explain. A structural study of Shewanella vesiculosa M7T using TEM and Cryo-TEM revealed that this Antarctic Gram-negative bacterium naturally releases conventional one-bilayer OMVs, together with a more complex type of OMV, previously undescribed, which on formation drags along inner membrane and cytoplasmic content and can therefore also entrap DNA.

Dimensioning DC-voltage capacitor for a DC-distribution system and dynamic analysis

Technical analysis of Low Voltage Direct Current (LVDC) distribution systems shows that in LVDC transmission the customer voltage quality is higher. One of the problems in LVDC distribution networks that converters both ends of the DC line are required. Because of the converters produce not pure DC voltage, but some fluctuations as well, the huge electrolytic capacitors are required to reduce voltage distortions in the DC-side. This thesis master’s thesis is focused on calculating required DC-link capacitance for LVDC transmission and estimation of the influence of different parameters on the voltage quality. The goal is to investigate the methods of the DC-link capacitance estimation and location in the transmission line.

Microcontroller-based interface circuit for inductive sensors

This work proposes a fully-digital interface circuit for the measurement of inductive sensors using a low-cost microcontroller (µC) and without any intermediate active circuit. Apart from the µC and the sensor, the circuit just requires an external resistor and a reference inductance so that two RL circuits with a high-pass filter (HPF) topology are formed. The µC appropriately excites such RL circuits in order to measure the discharging time of the voltage across each inductance (i.e. sensing and reference) and then it uses such discharging times to estimate the sensor inductance. Experimental tests using a commercial µC show a non-linearity error (NLE) lower than 0.5%FSS (Full-Scale Span) when measuring inductances from 1 mH to 10 mH, and from 10 mH to 100 mH.

Converter Supply Transformer For LVDC Distribution System

This master’s thesis is focused on optimizing the parameters of a distribution transformer with respect to low voltage direct current (LVDC) distribution system. One of the main parts of low voltage direct current (LVDC) distribution system is transformer. It is studied from several viewpoints like filtering capabilities of harmonics caused by rectifier, losses and short circuit current limiting Determining available short circuit currents is one of the most important aspects of designing power distribution systems. Short circuits and their effects must be considered in selecting electrical equipment, circuit protection and other devices.

Power-line-communication-based data transmission concept for an LVDC electricity distribution network – Analysis and implementation

Communications play a key role in modern smart grids. New functionalities that make the grids ‘smart’ require the communication network to function properly. Data transmission between intelligent electric devices (IEDs) in the rectifier and the customer-end inverters (CEIs) used for power conversion is also required in the smart grid concept of the low-voltage direct current (LVDC) distribution network. Smart grid applications, such as smart metering, demand side management (DSM), and grid protection applied with communications are all installed in the LVDC system. Thus, besides remote connection to the databases of the grid operators, a local communication network in the LVDC network is needed. One solution applied to implement the communication medium in power distribution grids is power line communication (PLC). There are power cables in the distribution grids, and hence, they may be applied as a communication channel for the distribution-level data. This doctoral thesis proposes an IP-based high-frequency (HF) band PLC data transmission concept for the LVDC network. A general method to implement the Ethernet-based PLC concept between the public distribution rectifier and the customerend inverters in the LVDC grid is introduced. Low-voltage cables are studied as the communication channel in the frequency band of 100 kHz–30 MHz. The communication channel characteristics and the noise in the channel are described. All individual components in the channel are presented in detail, and a channel model, comprising models for each channel component is developed and verified by measurements. The channel noise is also studied by measurements. Theoretical signalto- noise ratio (SNR) and channel capacity analyses and practical data transmission tests are carried out to evaluate the applicability of the PLC concept against the requirements set by the smart grid applications in the LVDC system. The main results concerning the applicability of the PLC concept and its limitations are presented, and suggestion for future research proposed.

Study of Control Methods of a High-Frequency Cycloconverter for Domestic Induction Heating Appliances

A high-frequency cyclonverter acts as a direct ac-to-ac power converter circuit that does not require a diode bidge rectifier. Bridgeless topology makes it possible to remove forward voltage drop losses that are present in a diode bridge. In addition, the on-state losses can be reduced to 1.5 times the on-state resistance of switches in half-bridge operation of the cycloconverter. A high-frequency cycloconverter is reviewed and the charging effect of the dc-capacitors in ``back-to-back'' or synchronous mode operation operation is analyzed. In addition, a control method is introduced for regulating dc-voltage of the ac-side capacitors in synchronous operation mode. The controller regulates the dc-capacitors and prevents switches from reaching overvoltage level. This can be accomplished by variating phase-shift between the upper and the lower gate signals. By adding phase-shift between the gate signal pairs, the charge stored in the energy storage capacitors can be discharged through the resonant load and substantially, the output resonant current amplitude can be improved. The above goals are analyzed and illustrated with simulation. Theory is supported with practical measurements where the proposed control method is implemented in an FPGA device and tested with a high-frequency cycloconverter using super-junction power MOSFETs as switching devices.

Transplantation of muscle-derived stem cells plus biodegradable fibrin glue restores the urethral sphincter in a pudendal nerve-transected rat model

We investigated whether fibrin glue (FG) could promote urethral sphincter restoration in muscle-derived stem cell (MDSC)-based injection therapies in a pudendal nerve-transected (PNT) rat, which was used as a stress urinary incontinence (SUI) model. MDSCs were purified from the gastrocnemius muscles of 4-week-old inbred female SPF Wistar rats and labeled with green fluorescent protein. Animals were divided into five groups (N = 15): sham (S), PNT (D), PNT+FG injection (F), PNT+MDSC injection (M), and PNT+MDSC+FG injection (FM). Each group was subdivided into 1- and 4-week groups. One and 4 weeks after injection into the proximal urethra, leak point pressure (LPP) was measured to assess urethral resistance function. Histology and immunohistochemistry were performed 4 weeks after injection. LPP was increased significantly in FM and M animals after implantation compared to group D (P < 0.01), but was not different from group S. LPP was slightly higher in the FM group than in the M group but there was no significant difference between them at different times. Histological and immunohistochemical examination demonstrated increased numbers of surviving MDSCs (109 ± 19 vs 82 ± 11/hpf, P = 0.026), increased muscle/collagen ratio (0.40 ± 0.02 vs 0.34 ± 0.02, P = 0.044), as well as increased microvessel density (16.9 ± 0.6 vs 14.1 ± 0.4/hpf, P = 0.001) at the injection sites in FM compared to M animals. Fibrin glue may potentially improve the action of transplanted MDSCs to restore the histology and function of the urethral sphincter in a SUI rat model. Injection of MDSCs with fibrin glue may provide a novel cellular therapy method for SUI.

Power Electronic Converters in Low-Voltage Direct Current Distribution – Analysis and Implementation

Over the recent years, smart grids have received great public attention. Many proposed functionalities rely on power electronics, which play a key role in the smart grid, together with the communication network. However, “smartness” is not the driver that alone motivates the research towards distribution networks based on power electronics; the network vulnerability to natural hazards has resulted in tightening requirements for the supply security, set both by electricity end-users and authorities. Because of the favorable price development and advancements in the field, direct current (DC) distribution has become an attractive alternative for distribution networks. In this doctoral dissertation, power electronic converters for a low-voltage DC (LVDC) distribution system are investigated. These include the rectifier located at the beginning of the LVDC network and the customer-end inverter (CEI) on the customer premises. Rectifier topologies are introduced, and according to the LVDC system requirements, topologies are chosen for the analysis. Similarly, suitable CEI topologies are addressed and selected for study. Application of power electronics into electricity distribution poses some new challenges. Because the electricity end-user is supplied with the CEI, it is responsible for the end-user voltage quality, but it also has to be able to supply adequate current in all operating conditions, including a short-circuit, to ensure the electrical safety. Supplying short-circuit current with power electronics requires additional measures, and therefore, the short-circuit behavior is described and methods to overcome the high-current supply to the fault are proposed. Power electronic converters also produce common-mode (CM) and radio-frequency (RF) electromagnetic interferences (EMI), which are not present in AC distribution. Hence, their magnitudes are investigated. To enable comprehensive research on the LVDC distribution field, a research site was built into a public low-voltage distribution network. The implementation was a joint task by the LVDC research team of Lappeenranta University of Technology and a power company Suur-Savon S¨ahk¨o Oy. Now, the measurements could be conducted in an actual environment. This is important especially for the EMI studies. The main results of the work concern the short-circuit operation of the CEI and the EMI issues. The applicability of the power electronic converters to electricity distribution is demonstrated, and suggestions for future research are proposed.

La poétique du roman historique de Eveline Hasler

À l'aide des tout derniers modèles narratologiques développés entre autres par Ansgar Nünning, nous nous penchons sur l'oeuvre d'Eveline Hasler, une voix phare de la littérature alémanique contemporaine. À partir d’un corpus de six romans, nous examinons de façon systématique sa poétique du roman historique au regard 1) des techniques narratives, 2) de la marginalité de ses personnages en société, 3) de la conception de l’Histoire, 4) de l'image critique qu'elle présente de la Suisse. Il en ressort un portrait très nuancé de l'oeuvre de Hasler, puisqu’elle allie un récit principalement réaliste, plutôt traditionnel, mais aussi inspiré du langage cinématographique, à des passages métahistoriographiques postmodernes, où une narratrice assimilable à l’auteure fait part au « je » de ses réflexions sur l'Histoire. Même si ces brefs passages relativement rares rappellent sans contredit la posture de l’historien, ils s’inscrivent toutefois dans la fiction, laquelle actualise le passé dans la perspective historique d’un lecteur contemporain. De fait, l’œuvre de Hasler se présente comme un jeu habile avec la liberté poétique et le souci de véracité historique, ce à quoi concourt l’imbrication de documents originaux en italique dans le roman. Par ailleurs, la question de la marginalité en société joue un rôle prépondérant chez Hasler, car tous ses personnages principaux sont autant de marginaux, de Außenseiter. Cette problématique montre entre autres les limites de l’Aufklärung, étant donné que ses tenants, les adversaires des marginaux, se targuent le plus souvent d’être motivés par la pensée éclairante pour mieux la pervertir. Il en résulte la mise à l’écart des individus dérangeants — la prétendue sorcière, le géant et les femmes qui remettent en cause l’organisation patriarcale. Or, certains marginaux de Hasler parviennent à s’arracher un espace de liberté dans la marge, au prix de leurs racines helvétiques. Ainsi, ces marginaux peinent à s’inscrire dans l’Histoire dite officielle, ce que Hasler tente de rectifier en leur redonnant une voix. Sur le plan individuel, la plupart d’entre eux expérimentent une évolution circulaire, puisqu’ils ne parviennent pas à sortir de la marge (sauf peut-être Henry Dunant). Cette impression de tourner en rond s’oppose à une conception de l’Histoire humaine qui se déroule en continuum, puisque les exclusions d’hier préfigurent celles d’aujourd’hui. Au-delà de cette mesure humaine du temps, l’horizon temporel de la nature s’inscrit pour sa part dans la permanence. Ainsi, Hasler développe une conception historique qui varie selon des points de vue coexistants. Cet amalgame est le plus souvent marqué par un certain pessimisme, comme le dénote la vie d’Emily Kempin associée au mythe d’Icare. Finalement, tous les acteurs historiques de Hasler appartiennent au contexte helvétique et en présentent une image assez rétrograde, laquelle se dévoile non seulement à travers la fictionnalisation des lieux, mais aussi par des références à trois symboles nationaux : les Alpes, le réduit helvétique et la légende de Guillaume Tell. Hasler fait le procès de ces mythes, associés à la liberté et à la sauvegarde de ce « peuple de bergers », en montrant que la Suisse n’apporte pas de solution originale aux défis de l’Occident.

Développement de l’activité rythmique chez l’embryon du poisson-zébré

Les circuits neuronaux peuvent générer une panoplie de rythmes. Nous pouvons séparer les mécanismes de création de ces rythmes en deux grands types. Le premier consiste de circuits contrôlés par des cellules « pacemakers », ayant une activité rythmique intrinsèque, comme dans le ganglion stomatogastique des crustacés. Le deuxième consiste de circuits multi-neuronaux connectés par un réseau synaptique qui permet une activité rythmique sans la présence de neurones pacemakers, tel que démontré pour les circuits de la nage chez plusieurs vertébrés. Malgré nos connaissances des mécanismes de rhythmogénèse chez les vertébrés adultes, les mécanismes de la création et la maturation de ces circuits locomoteurs chez les embryons restent encore inconnus. Nous avons étudié cette question à l’aide du poisson-zébré où les embryons débutent leur activité motrice par des contractions spontanées alternantes à 17 heures post-fertilisation (hpf). Des études ont démontré que cette activité spontanée n’est pas sensible aux antagonistes de la transmission synaptique chimique et ne requiert pas le rhombencéphale. Après 28 hpf, les embryons commencent à nager et se propulser en réponse au toucher. Des études antérieures on démontré que l’apparition de la nage nécessite le rhombencéphale et la transmission synaptique chimique. Cette thèse explore la possibilité que ces changements comportementaux représentent la progression d’un circuit contrôle par un pacemaker à un circuit ou le rythme provient d’un circuit distribué. En mesurant le groupement des contractions de l’activité spontanée, plutôt que la fréquence moyenne, nous avons découvert une nouvelle forme d’activité spontanée qui débute à 22 hpf. Cette activité consiste de deux contractions alternantes à succession très rapide. Contrairement à l’activité spontanée présente dès 17 hpf cette nouvelle forme d’activité requiert le rhombencéphale et la transmission synaptique chimique, comme démontré pour la nage qui apparait à 28 hpf. Cette forme de comportement intermédiaire représente potentiellement une étape transitoire lors de la maturation des circuits moteurs.

Études de type structure fonction des mutations causant l’ataxie épisodique de type I sur les canaux potassiques dépendants du voltage

Les ataxies épisodiques (EA) d’origine génétique sont un groupe de maladies possédant un phénotype et génotype hétérogènes, mais ont en commun la caractéristique d’un dysfonctionnement cérébelleux intermittent. Les EA de type 1 et 2 sont les plus largement reconnues des ataxies épisodiques autosomiques dominantes et sont causées par un dysfonctionnement des canaux ioniques voltage-dépendants dans les neurones. La présente étude se concentrera sur les mutations causant l'EA-1, retrouvées dans le senseur de voltage (VSD) de Kv1.1, un canal très proche de la famille des canaux Shaker. Nous avons caractérisé les propriétés électrophysiologiques de six mutations différentes à la position F244 et partiellement celles des mutations T284 A/M, R297 K/Q/A/H, I320T, L375F, L399I et S412 C/I dans la séquence du Shaker grâce à la technique du ‘’cut open voltage clamp’’ (COVC). Les mutations de la position F244 situées sur le S1 du canal Shaker sont caractérisées par un décalement des courbes QV et GV vers des potentiels dépolarisants et modifient le couplage fonctionnel entre le domaine VSD et le pore. Un courant de fuite est observé durant la phase d'activation des courants transitoires et peut être éliminé par l'application du 4-AP (4-aminopyridine) ou la réinsertion de l'inactivation de type N mais pas par le TEA (tétraéthylamonium). Dans le but de mieux comprendre les mécanismes moléculaires responsables de la stabilisation d’un état intermédiaire, nous avons étudié séparément la neutralisation des trois premières charges positives du S4 (R1Q, R2Q et R3Q). Il en est ressorti l’existence d’une interaction entre R2 et F244. Une seconde interface entre S1 et le pore proche de la surface extracellulaire agissant comme un second point d'ancrage et responsable des courants de fuite a été mis en lumière. Les résultats suggèrent une anomalie du fonctionnement du VSD empêchant la repolarisation normale de la membrane des cellules nerveuses affectées à la suite d'un potentiel d'action.

L’effet de la surexpression du récepteur de type 1 à l’angiotensine II sur les courants potassiques et calciques au niveau des oreillettes

Le système rénine-angiotensine est impliqué dans le remodelage structurel et électrique caractérisant la fibrillation auriculaire (FA). L’angiotensine II (ANG II) induit le développement de fibrose et d’hypertrophie au niveau des oreillettes, prédisposant à la FA. Or, les mécanismes électrophysiologiques par lesquels l’ANG II pourrait promouvoir la FA sont peu connus. L’objectif de ce projet de recherche est d’évaluer l’effet de l’ANG II sur les courants potassiques et calciques au niveau auriculaire indépendamment du remodelage structurel. Pour ce faire, nous avons utilisé la technique de patch-clamp avec un modèle de souris surexprimant le récepteur de type 1 à l’angiotensine II (AT1R) spécifiquement au niveau cardiaque. Pour distinguer les effets directs de la surexpression d’AT1R des effets induits par le remodelage cardiaque, nous avons étudié des souris âgées de 180 jours, qui présentent du remodelage structurel, et des souris âgées de 50 jours, qui n’en présentent pas. Des études précédentes sur ce modèle ont montré qu’au niveau des myocytes ventriculaires, l’ANG II réduit le courant potassique global (Ipeak) et rectifiant entrant (IK1) ainsi que le courant calcique de type L (ICaL). Ainsi, notre hypothèse est que l’ANG II modulera aussi ces courants au niveau auriculaire, pouvant ainsi augmenter l’hétérogénéité de repolarisation auriculaire et de ce fait le risque de développer et maintenir la FA. Nous avons observé une diminution significative de la densité d’IK1 dans l’oreillette gauche des souris transgéniques sans changement d’Ipeak. De plus, la densité d’ ICaL n’est pas réduite chez les souris transgéniques âgées de 50 jours. En conclusion, l’effet de l’ANG II sur les courants potassiques et calciques semble dépendre de la chambre cardiaque. En effet, nous savions que l’ANGII réduisait Ipeak, IK1 et ICaL au niveau ventriculaire, mais nos résultats ont montré qu’il ne les affectait pas directement au niveau des oreillettes. Ceci suggère des mécanismes de régulation impliquant des voies de signalisation distinctes selon les chambres cardiaques. Enfin, nos résultats montrant l’absence de l’influence directe de la surexpression d’AT1R sur les canaux K+ et Ca2+ au niveau des myocytes auriculaires renforcent l’importance d’approfondir nos connaissances sur les effets de l’angiotensine II sur le développement de la fibrose, sur le remodelage structurel et sur la conduction électrique cardiaque.

Anticiper l’avenir de la prévention basée sur le risque génétique : analyse qualitative de la perception des participants à l’étude «Dessine-moi un futur!»

En cette ère de «nouvelle santé publique», les professionnels sont exhortés à détourner leur attention de l’individu afin de pouvoir mettre l’accent sur les déterminants sociaux de la santé. Un phénomène contraire s’opère dans le domaine des sciences biomédicales, où un mouvement vers la santé personnalisée permet d’envisager des soins préventifs et curatifs adaptés à chaque individu, en fonction de son profil de risque génétique. Bien qu’elles n’aient que partiellement fait leur entrée dans notre système de santé, ces avancées scientifiques risquent de changer significativement le visage de la prévention, et dans cette foulée, de susciter des débats de société importants. L'étude proposée vise à contribuer à une réflexion sur l'avenir d'une des fonctions essentielles de la santé publique en tentant de mieux comprendre comment le public perçoit la prévention basée sur le risque génétique. Ce projet de recherche qualitative consiste en l'analyse secondaire des échanges ayant eu lieu lors de quatre ateliers délibératifs auxquels ont participé des membres du public d'horizons divers, et durant lesquels ceux-ci ont débattu de la désirabilité d'une technologie préventive fictive, le «rectificateur cardiaque». La théorie de la structuration d'Anthony Giddens est utilisée comme cadre conceptuel guidant l’analyse des échanges. Celle-ci permet d’émettre les trois constats suivants: a- le « rectificateur cardiaque » est loin d’être interprété par tous les participants comme étant une intervention préventive; b- son utilisation est perçue comme étant légitime ou non dépendamment principalement des groupes de personnes qu’elle viserait; c- l’intervention proposée ne se pense pas hors contexte.