Estimating the fraction of progeny virions that must incorporate APOBEC3G for suppression of productive HIV-1 infection

The contest between the host factor APOBEC3G (A3G) and the HIV-1 protein Vif presents an attractive target of intervention. The extent to which the A3G-Vif interaction must be suppressed to tilt the balance in favor of A3G remains unknown. We employed stochastic simulations and mathematical modeling of the within-host dynamics and evolution of HIV-1 to estimate the fraction of progeny virions that must incorporate A3G to render productive infection unsustainable. Using three different approaches, we found consistently that a transition from sustained infection to suppression of productive infection occurred when the latter fraction exceeded similar to 0.8. The transition was triggered by A3G-induced hypermutations that led to premature stop codons compromising viral production and was consistent with driving the basic reproductive number, R-o, below unity. The fraction identified may serve as a quantitative guideline for strategies targeting the A3G-Vif axis. (C) 2013 Elsevier Inc. All rights reserved.

具有蒸发液滴两相介质近壁流动的数学分析

在双连续介质理论框架下，采用匹配渐进展开方法导出并求解了具有蒸发液滴的汽雾流中层流边界层方程，给出了控制汽雾流的相似判据。对于沿曲面的流动，边界层方程的形式取决于是否存在液滴的惯性沉积。给出了热钝体驻点附近蒸汽-液滴边界层的数值计算结果。它们表明：由于蒸发，在边界层内近壁处形成了一个无液滴区域；在该区上边界处，液滴半径趋于零而液滴数密度急剧增高。液滴蒸发及聚集的联合效应造成了表面热流的显著增加，甚至在自由来流中液滴质量浓度很低时此效应依然存在。

Design, Construction and Testing of a Hydraulic Power Take-Off for Wave Energy Converters

This paper presents the construction, mathematical modeling and testing of a scaled universal hydraulic Power Take-Off (PTO) device for Wave Energy Converters (WECs). A specific prototype and test bench were designed and built to carry out the tests. The results obtained from these tests were used to adjust an in-house mathematical model. The PTO was initially designed to be coupled to a scaled wave energy capture device with a low speed and high torque oscillating motion and high power fluctuations. Any Energy Capture Device (ECD) that fulfils these requirements can be coupled to this PTO, provided that its scale is adequately defined depending on the rated power of the full scale prototype. The initial calibration included estimation of the pressure drops in the different components, the pressurization time of the oil inside the hydraulic cylinders and the volumetric efficiency of the complete circuit. Since the overall efficiency measured during the tests ranged from 0.69 to 0.8 and the dynamic performance of the PTO was satisfactory, the results are really promising and it is believed that this solution might prove effective in real devices.

The logic of receptor-ligand interactions in the Notch signaling pathway

The Notch signaling pathway enables neighboring cells to coordinate developmental fates in diverse processes such as angiogenesis, neuronal differentiation, and immune system development. Although key components and interactions in the Notch pathway are known, it remains unclear how they work together to determine a cell's signaling state, defined as its quantitative ability to send and receive signals using particular Notch receptors and ligands. Recent work suggests that several aspects of the system can lead to complex signaling behaviors: First, receptors and ligands interact in two distinct ways, inhibiting each other in the same cell (in cis) while productively interacting between cells (in trans) to signal. The ability of a cell to send or receive signals depends strongly on both types of interactions. Second, mammals have multiple types of receptors and ligands, which interact with different strengths, and are frequently co-expressed in natural systems. Third, the three mammalian Fringe proteins can modify receptor-ligand interaction strengths in distinct and ligand-specific ways. Consequently, cells can exhibit non-intuitive signaling states even with relatively few components.

In order to understand what signaling states occur in natural processes, and what types of signaling behaviors they enable, this thesis puts forward a quantitative and predictive model of how the Notch signaling state is determined by the expression levels of receptors, ligands, and Fringe proteins. To specify the parameters of the model, we constructed a set of cell lines that allow control of ligand and Fringe expression level, and readout of the resulting Notch activity. We subjected these cell lines to an assay to quantitatively assess the levels of Notch ligands and receptors on the surface of individual cells. We further analyzed the dependence of these interactions on the level and type of Fringe expression. We developed a mathematical modeling framework that uses these data to predict the signaling states of individual cells from component expression levels. These methods allow us to reconstitute and analyze a diverse set of Notch signaling configurations from the bottom up, and provide a comprehensive view of the signaling repertoire of this major signaling pathway.

Modelagem hidrológica da bacia hidrográfica do rio Bengalas, Nova Friburgo, RJ, utilizando o potencial de geotecnologias na definição de áreas de risco de inundação.

A presente pesquisa concentra-se no estudo hidrológico utilizando o potencial das geotecnologias na modelagem do escoamento na bacia do rio Bengalas, cujo rio principal de mesmo nome, corta o município de Nova Friburgo, RJ, no sentido Sul-Norte. Esse município, um dos mais importantes da região serrana, sofre frequentemente com inundações e deslizamentos, onde, dados históricos e acontecimentos recentes mostram que a ocupação inadequada de encostas e calhas dos rios são as áreas destacada e negativamente afetadas. A metodologia tem suporte no uso de um SIG, extraindo informações, que por sua vez, serão entrada de dados na fase de modelagem, e reforçando a apresentação dos resultados das simulações através de mapas. Ela está divida basicamente em três etapas: "SIG", "Modelagem" e "Suporte à Tomada de Decisão/Simulação". Esse primeiro estudo permitiu compor um banco de dados geográfico com as características fisiográficas da bacia; a seleção criteriosa de uma modelagem matemática e encadeamento de seus parâmetros com os componentes do ciclo hidrológico; realizar a calibração do modelo de transformação chuva-vazão, Soil Conservation Service (CN); e simular a passagem dos volumes gerados pela precipitação efetiva na calha do rio Bengalas, com o objetivo de identificar e analisar as áreas suscetíveis a inundações na porção central da cidade de Nova Friburgo. Modelagem dessa natureza vem sendo empregada, principalmente, no gerenciamento de recursos hídricos, onde a tomada de decisões embasada nos resultados de simulações computacionais, contribuem para evitar prejuízos materiais e financeiros, e ainda, perdas de vidas humanas em áreas de risco, neste caso, aquelas suscetíveis a inundações. Analisando os resultados encontrados temos que a área suscetível à inundação para uma chuva com tempo de recorrência de 50 anos, o mais crítico estudado, seja de aproximadamente 1,0 km, distribuídos nos seus 8,5km na região central de Nova Friburgo-RJ, sendo está, ora delimitada, prioritariamente edificada.

Approximate Best Proximity Points of Cyclic Self-maps in Metric Spaces and Cyclic Asymptotic Regularity

3rd International Conference on Mathematical Modeling in Physical Sciences (IC-MSQUARE) Madrid, AUG 28-31, 2014 / editado por Vagenas, EC; Vlachos, DS; Bastos, C; Hofer, T; Kominis, Y; Kosmas, O; LeLay, G; DePadova, P; Rode, B; Suraud, E; Varga, K

Modelagem matemática da transferência de calor numa placa plana sob o efeito de uma fonte pontual externa de radiação térmica.

Este trabalho apresenta uma modelagem matemática para o processo de aquecimento de um corpo exposto a uma fonte pontual de radiação térmica. O resultado original que permite a solução exata de uma equação diferencial parcial não linear a partir de uma seqüência de problemas lineares também é apresentado. Gráficos gerados com resultados obtidos pelo método de diferenças finitas ilustram a solução do problema proposto.

Estudo da interação de antipsicóticos atípicos e albumina sérica com base em modelos matemáticos e espectrofluorimétricos

Os antipsicóticos são drogas utilizadas no tratamento de muitos transtornos psiquiátricos, sendo classificados em dois grupos: típicos e atípicos. Os típicos formam o grupo de drogas que bloqueiam especialmente os receptores de dopamina e, por isto, causam efeitos colaterais característicos, que se manifestam através de sintomas extrapiramidais e podem terminar em discinesia tardia. Os atípicos apresentam eficácia antipsicótica similar à dos antipsicóticos típicos, mas produzem menos efeitos colaterais extrapiramidais e não causam discinesia tardia. Os antipsicóticos se ligam às proteínas plasmáticas, principalmente a albumina, a qual representa cerca de 60% do total das proteínas no soro humano. Neste trabalho estudamos os processos de interação de duas drogas antipsicóticas atípicas, risperidona e sulpirida, com as albuminas séricas humana (HSA) e bovina (BSA), através da técnica de supressão da fluorescência intrínseca do triptofano. A partir dos espectros de fluorescência, a análise dos dados foi feita obtendo-se os gráficos e as constantes de Stern-Volmer. A análise da supressão da fluorescência foi feita a partir da média aritmética dos dados oriundos dos experimentos realizados em cada condição adotada. Como a molécula da sulpirida é fluorescente desenvolvemos uma modelagem matemática do processo de interação, que nos permitiu então obter os dados referentes à supressão da fluorescência da proteína. Os resultados mostraram que a risperidona e a sulpirida suprimem a fluorescência de ambas albuminas por um processo de quenching estático, formando complexos droga-albumina. A risperidona tem uma afinidade com a HSA cerca de 6,5 vezes maior do que a sulpirida, a 37 oC. As constantes de associação calculadas para a interação risperidona-HSA, através da Teoria de Stern-Volmer, foram 1,43 ( 0,05) x 105 M-1, a 37 C, e 2,56 ( 0,09) x 105 M-1, a 25 C1; e para a sulpirida, 2,20 ( 0,08) x 104 M-1, a 37 C, e 5,46 ( 0,20) x 104 M-1, a 25 C. Como a taxa de quenching da BSA foi maior do que a da HSA, sugerimos que o sítio primário para a risperidona nas albuminas esteja localizado mais próximo ao domínio do triptofano 134 da BSA do que do domínio do triptofano 212 da HSA. O mesmo sugerimos com relação ao sítio para a sulpirida a 37 C.

Crank-Nicholson method for rate equations in powder random lasers

3rd International Conference on Mathematical Modeling in Physical Sciences (IC-MSQUARE 2014)

Aplicação da técnica simulated annealing na investigação da ciclagem de nitrogênio na inteface água-sedimento

Neste trabalho é apresentado a aplicação de um método de otimização a fim de estimar parâmetros que normalmente estão presentes na modelagem matemática da dinâmica de espécies químicas na interface água-sedimento. O Problema Direto aqui consistiu na simulação das concentrações das espécies orgânicas e inorgânicas (amônia e nitrato) de nitrogênio, num ambiente idealizado, o qual foi fracionado em quatro camadas: uma camada de água (1 metro) e três camadas de sedimento (0-1 cm, 1-2 cm e 2-10 cm). O Problema Direto foi resolvido pelo Método de Runge Kutta, tendo sido gerada uma simulação de 50 dias. Na estimativa dos coeficientes de difusão e porosidade foi aplicado o Método Simulated Annealing (SA). A eficiência da estratégia aqui adotada foi avaliada através do confronto entre dados experimentais sintéticos e as concentrações calçadas pela solução do Problema Direto, adotando-se os parâmetros estimados pela SA. O melhor ajuste entre dados experimentais e valores calculados se deu quando o parâmetro estimado foi a porosidade. Com relação à minimização da função objetivo, a estimativa desse parâmetro também foi a que exigiu menor esforço computacional. Após a introdução de um ruído randômico às concentrações das espécies nitrogenadas, a técnica SA não foi capaz de obter uma estimativa satisfatória para o coeficiente de difusão, com exceção da camada 0-1 cm sedimentar. Para outras camadas, erros da ordem de 10 % foram encontrados (para amônia na coluna dágua, pro exemplo). Os resultados mostraram que a metodologia aqui adotada pode ser bastante promissora enquanto ferramenta de gestão de corpos dágua, especialmente daqueles submetidos a um regime de baixa energia, como lagos e lagoas costeiras.

Modelagem matemática determinística do fluxo do tráfego veicular

Nesta dissertação consideramos duas abordagens para o tráfego de veículos: a macroscópica e a microscópica. O tráfego é descrito macroscopicamente por três grandezas físicas interligadas entre si, a saber, a velocidade, a densidade e o fluxo, descrevendo leis de conservação do número de veículos. Há vários modelos para o tráfego macroscópico de veículos. A maioria deles trata o tráfego de veículos como um fluido compressível, traduzindo a lei de conservação de massa para os veículos e requer uma lei de estado para o par velocidade-densidade, estabelecendo uma relação entre eles. Já o modelo descrito pela abordagem microscópica considera os veículos como partículas individuais. Consideramos os modelos da classe "car - following". Estes modelos baseiam-se no princípio de que o (n - 1)-ésimo veículo (denominado de "following-car") acelera em função do estímulo que recebe do n-ésimo veículo. Analisamos a equação de conservação do número de veículos em modelos macroscópicos para fluxo de tráfego. Posteriormente resolvemos esta equação através da linearização do modelo, estudando suas retas características e apresentamos a resolução do problema não linear em domínios limitados utilizando o método das características

Global analysis of dynamical decision-making models through local computation around the hidden saddle

Bistable dynamical switches are frequently encountered in mathematical modeling of biological systems because binary decisions are at the core of many cellular processes. Bistable switches present two stable steady-states, each of them corresponding to a distinct decision. In response to a transient signal, the system can flip back and forth between these two stable steady-states, switching between both decisions. Understanding which parameters and states affect this switch between stable states may shed light on the mechanisms underlying the decision-making process. Yet, answering such a question involves analyzing the global dynamical (i.e., transient) behavior of a nonlinear, possibly high dimensional model. In this paper, we show how a local analysis at a particular equilibrium point of bistable systems is highly relevant to understand the global properties of the switching system. The local analysis is performed at the saddle point, an often disregarded equilibrium point of bistable models but which is shown to be a key ruler of the decision-making process. Results are illustrated on three previously published models of biological switches: two models of apoptosis, the programmed cell death and one model of long-term potentiation, a phenomenon underlying synaptic plasticity. © 2012 Trotta et al.

Robotics and neuroscience: A rhythmic interaction

At the crossing between motor control neuroscience and robotics system theory, the paper presents a rhythmic experiment that is amenable both to handy laboratory implementation and simple mathematical modeling. The experiment is based on an impact juggling task, requiring the coordination of two upper-limb effectors and some phase-locking with the trajectories of one or several juggled objects. We describe the experiment, its implementation and the mathematical model used for the analysis. Our underlying research focuses on the role of sensory feedback in rhythmic tasks. In a robotic implementation of our experiment, we study the minimum feedback that is required to achieve robust control. A limited source of feedback, measuring only the impact times, is shown to give promising results. A second field of investigation concerns the human behavior in the same impact juggling task. We study how a variation of the tempo induces a transition between two distinct control strategies with different sensory feedback requirements. Analogies and differences between the robotic and human behaviors are obviously of high relevance in such a flexible setup. © 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.