Design rationnel de nanothermomètres programmables à base d’ADN

Développer de nouveaux nanomatériaux, interrupteurs et machines nanométriques sensibles à de petites variations de température spécifiques devrait être de grande utilité pour une multitude de domaines œuvrant dans la nanotechnologie. De plus, l’objectif est de convaincre le lecteur que les nanotechnologies à base d’ADN offrent d’énormes possibilités pour la surveillance de température en temps réel à l’échelle nanométrique. Dans la section Résultats, nous exploitons les propriétés de l’ADN pour créer des thermomètres versatiles, robustes et faciles à employer. En utilisant une série de nouvelles stratégies inspirées par la nature, nous sommes en mesure de créer des nanothermomètres d’ADN capables de mesurer des températures de 25 à 95°C avec une précision de <0.1°C. En créant de nouveaux complexes d’ADN multimériques, nous arrivons à développer des thermomètres ultrasensibles pouvant augmenter leur fluorescence 20 fois sur un intervalle de 7°C. En combinant plusieurs brins d’ADN avec des plages dynamiques différentes, nous pouvons former des thermomètres montrant une transition de phase linéaire sur 50°C. Finalement, la vitesse de réponse et la précision des thermomètres développés et leur réversibilité sont illustrées à l’aide d’une expérience de surveillance de température à l’intérieur d’un unique puits d’un appareil de qPCR. En conclusion, les applications potentielles de tels nanothermomètres en biologie synthétique, imagerie thermique cellulaire, nanomachines d’ADN et livraison contrôlée seront considérées.

Design rationnel de nanothermomètres programmables à base d’ADN

Développer de nouveaux nanomatériaux, interrupteurs et machines nanométriques sensibles à de petites variations de température spécifiques devrait être de grande utilité pour une multitude de domaines œuvrant dans la nanotechnologie. De plus, l’objectif est de convaincre le lecteur que les nanotechnologies à base d’ADN offrent d’énormes possibilités pour la surveillance de température en temps réel à l’échelle nanométrique. Dans la section Résultats, nous exploitons les propriétés de l’ADN pour créer des thermomètres versatiles, robustes et faciles à employer. En utilisant une série de nouvelles stratégies inspirées par la nature, nous sommes en mesure de créer des nanothermomètres d’ADN capables de mesurer des températures de 25 à 95°C avec une précision de <0.1°C. En créant de nouveaux complexes d’ADN multimériques, nous arrivons à développer des thermomètres ultrasensibles pouvant augmenter leur fluorescence 20 fois sur un intervalle de 7°C. En combinant plusieurs brins d’ADN avec des plages dynamiques différentes, nous pouvons former des thermomètres montrant une transition de phase linéaire sur 50°C. Finalement, la vitesse de réponse et la précision des thermomètres développés et leur réversibilité sont illustrées à l’aide d’une expérience de surveillance de température à l’intérieur d’un unique puits d’un appareil de qPCR. En conclusion, les applications potentielles de tels nanothermomètres en biologie synthétique, imagerie thermique cellulaire, nanomachines d’ADN et livraison contrôlée seront considérées.

Current status of gene therapy for breast cancer: progress and challenges

Breast cancer is characterized by a series of genetic mutations and is therefore ideally placed for gene therapy intervention. The aim of gene therapy is to deliver a nucleic acid-based drug to either correct or destroy the cells harboring the genetic aberration. More recently, cancer gene therapy has evolved to also encompass delivery of RNA interference technologies, as well as cancer DNA vaccines. However, the bottleneck in creating such nucleic acid pharmaceuticals lies in the delivery. Deliverability of DNA is limited as it is prone to circulating nucleases; therefore, numerous strategies have been employed to aid with biological transport. This review will discuss some of the viral and nonviral approaches to breast cancer gene therapy, and present the findings of clinical trials of these therapies in breast cancer patients. Also detailed are some of the most recent developments in nonviral approaches to targeting in breast cancer gene therapy, including transcriptional control, and the development of recombinant, multifunctional bio-inspired systems. Lastly, DNA vaccines for breast cancer are documented, with comment on requirements for successful pharmaceutical product development.

Numerical encoding to tame SQL injection attacks.

Recent years have seen an astronomical rise in SQL Injection Attacks (SQLIAs) used to compromise the confidentiality, authentication and integrity of organisations’ databases. Intruders becoming smarter in obfuscating web requests to evade detection combined with increasing volumes of web traffic from the Internet of Things (IoT), cloud-hosted and on-premise business applications have made it evident that the existing approaches of mostly static signature lack the ability to cope with novel signatures. A SQLIA detection and prevention solution can be achieved through exploring an alternative bio-inspired supervised learning approach that uses input of labelled dataset of numerical attributes in classifying true positives and negatives. We present in this paper a Numerical Encoding to Tame SQLIA (NETSQLIA) that implements a proof of concept for scalable numerical encoding of features to a dataset attributes with labelled class obtained from deep web traffic analysis. In the numerical attributes encoding: the model leverages proxy in the interception and decryption of web traffic. The intercepted web requests are then assembled for front-end SQL parsing and pattern matching by applying traditional Non-Deterministic Finite Automaton (NFA). This paper is intended for a technique of numerical attributes extraction of any size primed as an input dataset to an Artificial Neural Network (ANN) and statistical Machine Learning (ML) algorithms implemented using Two-Class Averaged Perceptron (TCAP) and Two-Class Logistic Regression (TCLR) respectively. This methodology then forms the subject of the empirical evaluation of the suitability of this model in the accurate classification of both legitimate web requests and SQLIA payloads.

Otimização de controle de tráfego em grupo de elevadores com algoritmos bioinspirados

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2015.

A systems approach to cardiovascular health and disease with a focus on aortic wave dynamics

Cardiovascular diseases (CVDs) have reached an epidemic proportion in the US and worldwide with serious consequences in terms of human suffering and economic impact. More than one third of American adults are suffering from CVDs. The total direct and indirect costs of CVDs are more than $500 billion per year. Therefore, there is an urgent need to develop noninvasive diagnostics methods, to design minimally invasive assist devices, and to develop economical and easy-to-use monitoring systems for cardiovascular diseases. In order to achieve these goals, it is necessary to gain a better understanding of the subsystems that constitute the cardiovascular system. The aorta is one of these subsystems whose role in cardiovascular functioning has been underestimated. Traditionally, the aorta and its branches have been viewed as resistive conduits connected to an active pump (left ventricle of the heart). However, this perception fails to explain many observed physiological results. My goal in this thesis is to demonstrate the subtle but important role of the aorta as a system, with focus on the wave dynamics in the aorta.

The operation of a healthy heart is based on an optimized balance between its pumping characteristics and the hemodynamics of the aorta and vascular branches. The delicate balance between the aorta and heart can be impaired due to aging, smoking, or disease. The heart generates pulsatile flow that produces pressure and flow waves as it enters into the compliant aorta. These aortic waves propagate and reflect from reflection sites (bifurcations and tapering). They can act constructively and assist the blood circulation. However, they may act destructively, promoting diseases or initiating sudden cardiac death. These waves also carry information about the diseases of the heart, vascular disease, and coupling of heart and aorta. In order to elucidate the role of the aorta as a dynamic system, the interplay between the dominant wave dynamic parameters is investigated in this study. These parameters are heart rate, aortic compliance (wave speed), and locations of reflection sites. Both computational and experimental approaches have been used in this research. In some cases, the results are further explained using theoretical models.

The main findings of this study are as follows: (i) developing a physiologically realistic outflow boundary condition for blood flow modeling in a compliant vasculature; (ii) demonstrating that pulse pressure as a single index cannot predict the true level of pulsatile workload on the left ventricle; (iii) proving that there is an optimum heart rate in which the pulsatile workload of the heart is minimized and that the optimum heart rate shifts to a higher value as aortic rigidity increases; (iv) introducing a simple bio-inspired device for correction and optimization of aortic wave reflection that reduces the workload on the heart; (v) deriving a non-dimensional number that can predict the optimum wave dynamic state in a mammalian cardiovascular system; (vi) demonstrating that waves can create a pumping effect in the aorta; (vii) introducing a system parameter and a new medical index, Intrinsic Frequency, that can be used for noninvasive diagnosis of heart and vascular diseases; and (viii) proposing a new medical hypothesis for sudden cardiac death in young athletes.

Applications of perceptual sparse representation (Spikegram) for copyright protection of audio signals

Chaque année, le piratage mondial de la musique coûte plusieurs milliards de dollars en pertes économiques, pertes d’emplois et pertes de gains des travailleurs ainsi que la perte de millions de dollars en recettes fiscales. La plupart du piratage de la musique est dû à la croissance rapide et à la facilité des technologies actuelles pour la copie, le partage, la manipulation et la distribution de données musicales [Domingo, 2015], [Siwek, 2007]. Le tatouage des signaux sonores a été proposé pour protéger les droit des auteurs et pour permettre la localisation des instants où le signal sonore a été falsifié. Dans cette thèse, nous proposons d’utiliser la représentation parcimonieuse bio-inspirée par graphe de décharges (spikegramme), pour concevoir une nouvelle méthode permettant la localisation de la falsification dans les signaux sonores. Aussi, une nouvelle méthode de protection du droit d’auteur. Finalement, une nouvelle attaque perceptuelle, en utilisant le spikegramme, pour attaquer des systèmes de tatouage sonore. Nous proposons tout d’abord une technique de localisation des falsifications (‘tampering’) des signaux sonores. Pour cela nous combinons une méthode à spectre étendu modifié (‘modified spread spectrum’, MSS) avec une représentation parcimonieuse. Nous utilisons une technique de poursuite perceptive adaptée (perceptual marching pursuit, PMP [Hossein Najaf-Zadeh, 2008]) pour générer une représentation parcimonieuse (spikegramme) du signal sonore d’entrée qui est invariante au décalage temporel [E. C. Smith, 2006] et qui prend en compte les phénomènes de masquage tels qu’ils sont observés en audition. Un code d’authentification est inséré à l’intérieur des coefficients de la représentation en spikegramme. Puis ceux-ci sont combinés aux seuils de masquage. Le signal tatoué est resynthétisé à partir des coefficients modifiés, et le signal ainsi obtenu est transmis au décodeur. Au décodeur, pour identifier un segment falsifié du signal sonore, les codes d’authentification de tous les segments intacts sont analysés. Si les codes ne peuvent être détectés correctement, on sait qu’alors le segment aura été falsifié. Nous proposons de tatouer selon le principe à spectre étendu (appelé MSS) afin d’obtenir une grande capacité en nombre de bits de tatouage introduits. Dans les situations où il y a désynchronisation entre le codeur et le décodeur, notre méthode permet quand même de détecter des pièces falsifiées. Par rapport à l’état de l’art, notre approche a le taux d’erreur le plus bas pour ce qui est de détecter les pièces falsifiées. Nous avons utilisé le test de l’opinion moyenne (‘MOS’) pour mesurer la qualité des systèmes tatoués. Nous évaluons la méthode de tatouage semi-fragile par le taux d’erreur (nombre de bits erronés divisé par tous les bits soumis) suite à plusieurs attaques. Les résultats confirment la supériorité de notre approche pour la localisation des pièces falsifiées dans les signaux sonores tout en préservant la qualité des signaux. Ensuite nous proposons une nouvelle technique pour la protection des signaux sonores. Cette technique est basée sur la représentation par spikegrammes des signaux sonores et utilise deux dictionnaires (TDA pour Two-Dictionary Approach). Le spikegramme est utilisé pour coder le signal hôte en utilisant un dictionnaire de filtres gammatones. Pour le tatouage, nous utilisons deux dictionnaires différents qui sont sélectionnés en fonction du bit d’entrée à tatouer et du contenu du signal. Notre approche trouve les gammatones appropriés (appelés noyaux de tatouage) sur la base de la valeur du bit à tatouer, et incorpore les bits de tatouage dans la phase des gammatones du tatouage. De plus, il est montré que la TDA est libre d’erreur dans le cas d’aucune situation d’attaque. Il est démontré que la décorrélation des noyaux de tatouage permet la conception d’une méthode de tatouage sonore très robuste. Les expériences ont montré la meilleure robustesse pour la méthode proposée lorsque le signal tatoué est corrompu par une compression MP3 à 32 kbits par seconde avec une charge utile de 56.5 bps par rapport à plusieurs techniques récentes. De plus nous avons étudié la robustesse du tatouage lorsque les nouveaux codec USAC (Unified Audion and Speech Coding) à 24kbps sont utilisés. La charge utile est alors comprise entre 5 et 15 bps. Finalement, nous utilisons les spikegrammes pour proposer trois nouvelles méthodes d’attaques. Nous les comparons aux méthodes récentes d’attaques telles que 32 kbps MP3 et 24 kbps USAC. Ces attaques comprennent l’attaque par PMP, l’attaque par bruit inaudible et l’attaque de remplacement parcimonieuse. Dans le cas de l’attaque par PMP, le signal de tatouage est représenté et resynthétisé avec un spikegramme. Dans le cas de l’attaque par bruit inaudible, celui-ci est généré et ajouté aux coefficients du spikegramme. Dans le cas de l’attaque de remplacement parcimonieuse, dans chaque segment du signal, les caractéristiques spectro-temporelles du signal (les décharges temporelles ;‘time spikes’) se trouvent en utilisant le spikegramme et les spikes temporelles et similaires sont remplacés par une autre. Pour comparer l’efficacité des attaques proposées, nous les comparons au décodeur du tatouage à spectre étendu. Il est démontré que l’attaque par remplacement parcimonieux réduit la corrélation normalisée du décodeur de spectre étendu avec un plus grand facteur par rapport à la situation où le décodeur de spectre étendu est attaqué par la transformation MP3 (32 kbps) et 24 kbps USAC.

A complexity-based diagnostic on the democratic unity roundtable mud: problems and alternatives (2008-2016)

Este trabajo exploratorio estudia al movimiento político Mesa de la Unidad Democrática (MUD), creada con el fin de oponerse la Gobierno socialista existente en venezuela. La crítica que este documento realiza, parte desde el punto de vista de la Ciencia de la Complejidad. Algunos conceptos clave de sistemas complejos han sido utilizados para explicar el funcionamiento y organización de la MUD, esto con el objetivo de generar un diagnóstico integral de los problemas que enfrenta, y evidenciar las nuevas percepciones sobre comportamientos perjudiciales que el partido tiene actualmente. Con el enfoque de la complejidad se pretende ayudar a comprender mejor el contexto que enmarca al partido y, para, finalmente aportar una serie de soluciones a los problemas de cohesión que presen

Computing with motile bio-agents

We describe a model of computation of the parallel type, which we call 'computing with bio-agents', based on the concept that motions of biological objects such as bacteria or protein molecular motors in confined spaces can be regarded as computations. We begin with the observation that the geometric nature of the physical structures in which model biological objects move modulates the motions of the latter. Consequently, by changing the geometry, one can control the characteristic trajectories of the objects; on the basis of this, we argue that such systems are computing devices. We investigate the computing power of mobile bio-agent systems and show that they are computationally universal in the sense that they are capable of computing any Boolean function in parallel. We argue also that using appropriate conditions, bio-agent systems can solve NP-complete problems in probabilistic polynomial time.

Numerical computation of an Evans function for travelling waves

We demonstrate a geometrically inspired technique for computing Evans functions for the linearised operators about travelling waves. Using the examples of the F-KPP equation and a Keller–Segel model of bacterial chemotaxis, we produce an Evans function which is computable through several orders of magnitude in the spectral parameter and show how such a function can naturally be extended into the continuous spectrum. In both examples, we use this function to numerically verify the absence of eigenvalues in a large region of the right half of the spectral plane. We also include a new proof of spectral stability in the appropriate weighted space of travelling waves of speed c≥sqrt(2δ) in the F-KPP equation.

Singlet-state creation and universal quantum computation in NMR using a genetic algorithm

The experimental implementation of a quantum algorithm requires the decomposition of unitary operators. Here we treat unitary-operator decomposition as an optimization problem, and use a genetic algorithm-a global-optimization method inspired by nature's evolutionary process-for operator decomposition. We apply this method to NMR quantum information processing, and find a probabilistic way of performing universal quantum computation using global hard pulses. We also demonstrate the efficient creation of the singlet state (a special type of Bell state) directly from thermal equilibrium, using an optimum sequence of pulses. © 2012 American Physical Society.

Singlet-state creation and universal quantum computation in NMR using a genetic algorithm

The experimental implementation of a quantum algorithm requires the decomposition of unitary operators. Here we treat unitary-operator decomposition as an optimization problem, and use a genetic algorithm-a global-optimization method inspired by nature's evolutionary process-for operator decomposition. We apply this method to NMR quantum information processing, and find a probabilistic way of performing universal quantum computation using global hard pulses. We also demonstrate the efficient creation of the singlet state (a special type of Bell state) directly from thermal equilibrium, using an optimum sequence of pulses.

Exploring isospectral cantilever beams using electromagnetism inspired optimization technique

Isospectral beams have identical free vibration frequency spectrum for a specific boundary condition. The problem of finding non-uniform beams which are isospectral to a given uniform beam, with fixed-free boundary condition, leads to a multimodal optimization problem. The first Q natural frequencies of the given uniform Euler-Bernoulli beam are determined using analytical solution. The first Q natural frequencies of a non-uniform beam are obtained with the help of finite element modeling. In order to obtain the non-uniform beams isospectral to a given uniform beam, an error function is designed, which calculates the difference between the spectra of the given uniform beam and the non-uniform beam. In our study, this error function is minimized using electromagnetism inspired optimization technique, a population based iterative algorithm inspired by the attraction-repulsion physics of electromagnetism. Numerical results show the existence of the isospectral non-uniform beams for a given uniform beam, which occur as local minima. Non-uniform beams isospectral to a damaged beam, are also explored using the proposed methodology to illustrate the fact that accurate structural damage identification is difficult by just frequency measurements. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

In-situ development of self-defensive antibacterial biomaterials: phenol-g-keratin-EC based bio-composites with characteristics for biomedical applications

Recently, the development of highly inspired biomaterials with multi-functional characteristics has gained considerable attention, especially in biomedical, and other health-related areas of the modern world. It is well-known that the lack of antibacterial potential has significantly limited biomaterials for many challenging applications such as infection free wound healing and/or tissue engineering etc. In this perspective, herein, a series of novel bio-composites with natural phenols as functional entities and keratin-EC as a base material were synthesised by laccase-assisted grafting. Subsequently, the resulting composites were removed from their respective casting surfaces, critically evaluated for their antibacterial and biocompatibility features and information is also given on their soil burial degradation profile. In-situ synthesised phenol-g-keratin-EC bio-composites possess strong anti-bacterial activity against Gram-positive and Gram-negative bacterial strains i.e., B. subtilis NCTC 3610, P. aeruginosa NCTC 10662, E. coli NTCT 10418 and S. aureus NCTC 6571. More specifically, 10HBA-g-keratin-EC and 20T-g-keratin-EC composites were 100% resistant to colonisation against all of the aforementioned bacterial strains, whereas, 15CA-g-keratin-EC and 15GA-g-keratin-EC showed almost negligible colonisation up to a variable extent. Moreover, at various phenolic concentrations used, the newly synthesised composites remained cytocompatible with human keratinocyte-like HaCaT, as an obvious cell ingrowth tendency was observed and indicated by the neutral red dye uptake assay. From the degradation point of view, an increase in the degradation rate was recorded during their soil burial analyses. Our investigations could encourage greater utilisation of natural materials to develop bio-composites with novel and sophisticated characteristics for potential applications.

Nature-Inspired Framework for Hyperspectral Band Selection

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)