Shear induced molecular alignments of a side-chain liquid crystalline polyacetylene containing biphenyl mesogens

Mesomorphic properties of a side chain liquid crystalline polyacetylene, poly(11-{[(4'-heptyloxy-4-biphenylyl)carbonyl]oxy}-1-undecyne) (PA9EO7), are investigated using polarized optical microscope, X-ray diffraction, and transmission electron microscope. Polymer PA9EO7 forms enantiotropic smectic A and smectic B phases. It also exhibits an additional high order smectic phase, a sandwich structure consisting of different molecular packing of biphenyl mesogenic moieties from that of alkyl spacers and terminals, when it is prepared from its toluene solution. Shearing the polymer film at its smectic A phase generates banded texture with the alignment of the backbones parallel to the direction of shear force. While at its high order smectic phase, the mesogen pendants of the polymer are arranged parallel to the direction of shear. The different mesomorphic behaviors arise from different molecular alignments influenced by the fluidity.

Electric-field-induced molecular alignment of side-chain liquid-crystalline polyacetylenes containing biphenyl mesogens

Electric-field-induced molecular alignments of side-chain liquid-crystalline polyacetylenes [-{HC=C[(CH2)(m)OCO-biph-OC7H15]}-, where biph is 4,4'-biphenylyl and m is 3 (PA3EO7) or 9 (PA9EO7)] were studied with X-ray diffraction and polarized optical microscopy. An orientation as high as 0.84 was obtained for PA9EO7. Furthermore, the molecular orientation of]PA9EO7 was achieved within a temperature range between the isotropic-to-smectic A transition temperature and 115 degreesC, and this suggested that the orientational packing was affected by the thermal fluctuation of the isotropic liquid and the mobility of the mesogenic moieties. The maximum achievable orientation for PA9EO7 was much greater than that for PA3EO7. This was the first time that the electric-field-induced molecular orientation of a side-chain liquid-crystalline polymer with a stiff backbone was studied.

Ionization suppression of diatomic molecules in strong laser fields

The ionization rate of molecules in intense laser fields may be much lower than that of atoms with similar binding energy. This phenomenon is termed the ionization suppression of molecules and is caused by the molecular inner structure. In this paper, we perform a comprehensive study of the ionization suppression of homonuclear diatomic molecules in intense laser fields of linear and circular polarizations. We find that for linear polarization the total ionization rate and the ionization suppression depend greatly on the molecular alignment, and that for circular polarization the ionization suppression of molecules in the antibonding (bonding) shells disappears (appears) for laser intensities around 10(15) W/cm(2). We also find that the molecular photoelectron energy spectra are greatly changed by the interference effect, even though the total ionization rate of molecules remains almost the same as that of their companion atoms.

Quantum interference in laser-induced nonsequential double ionization in diatomic molecules: Role of alignment and orbital symmetry

We address the influence of the orbital symmetry and the molecular alignment with respect to the laser-field polarization on laser-induced nonsequential double ionization of diatomic molecules, in the length and velocity gauges. We work within the strong-field approximation and assume that the second electron is dislodged by electron-impact ionization, and also consider the classical limit of this model. We show that the electron-momentum distributions exhibit interference maxima and minima due to electron emission at spatially separated centers. The interference patterns survive integration over the transverse momenta for a small range of alignment angles, and are sharpest for parallel-aligned molecules. Due to the contributions of the transverse-momentum components, these patterns become less defined as the alignment angle increases, until they disappear for perpendicular alignment. This behavior influences the shapes and the peaks of the electron-momentum distributions.

Molecular dynamics simulation of observed c(4x4) and c(4x3) C60 alignments on the Si(100) reconstructed surface.

We have implemented a large-scale classical molecular dynamics simulation at constant temperature to provide a theoretical insight into the results of a recently performed experiment on the monolayer and multi-layer formations of molecular films on the Si(100) reconstructed dimerized surface. Our simulation has successfully reproduced all of the morphologies observed on the monolayer film by this experiment. We have obtained the formation of both c(4 4) and c(4 3) structures of the molecules and have also obtained phase transitions of the former into the latter.

DoSA: Database of Structural Alignments

Protein structure alignment is a crucial step in protein structure-function analysis. Despite the advances in protein structure alignment algorithms, some of the local conformationally similar regions are mislabeled as structurally variable regions (SVRs). These regions are not well superimposed because of differences in their spatial orientations. The Database of Structural Alignments (DoSA) addresses this gap in identification of local structural similarities obscured in global protein structural alignments by realigning SVRs using an algorithm based on protein blocks. A set of protein blocks is a structural alphabet that abstracts protein structures into 16 unique local structural motifs. DoSA provides unique information about 159 780 conformationally similar and 56 140 conformationally dissimilar SVRs in 74 705 pairwise structural alignments of homologous proteins. The information provided on conformationally similar and dissimilar SVRs can be helpful to model loop regions. It is also conceivable that conformationally similar SVRs with conserved residues could potentially contribute toward functional integrity of homologues, and hence identifying such SVRs could be helpful in understanding the structural basis of protein function.

MS3ALIGN: an efficient molecular surface aligner using the topology of surface curvature

Background: Aligning similar molecular structures is an important step in the process of bio-molecular structure and function analysis. Molecular surfaces are simple representations of molecular structure that are easily constructed from various forms of molecular data such as 3D atomic coordinates (PDB) and Electron Microscopy (EM) data. Methods: We present a Multi-Scale Morse-Smale Molecular-Surface Alignment tool, MS3ALIGN, which aligns molecular surfaces based on significant protrusions on the molecular surface. The input is a pair of molecular surfaces represented as triangle meshes. A key advantage of MS3ALIGN is computational efficiency that is achieved because it processes only a few carefully chosen protrusions on the molecular surface. Furthermore, the alignments are partial in nature and therefore allows for inexact surfaces to be aligned. Results: The method is evaluated in four settings. First, we establish performance using known alignments with varying overlap and noise values. Second, we compare the method with SurfComp, an existing surface alignment method. We show that we are able to determine alignments reported by SurfComp, as well as report relevant alignments not found by SurfComp. Third, we validate the ability of MS3ALIGN to determine alignments in the case of structurally dissimilar binding sites. Fourth, we demonstrate the ability of MS3ALIGN to align iso-surfaces derived from cryo-electron microscopy scans. Conclusions: We have presented an algorithm that aligns Molecular Surfaces based on the topology of surface curvature. Awebserver and standalone software implementation of the algorithm available at http://vgl.serc.iisc.ernet. in/ms3align.

Molecular Characterization and Functional Commonality of Nucleophosmin/Nucleoplasmin in Two Cyprinid Fish

Nucleophosmin/nucleoplasmin has been studied mostly in mammals and amphibians. To clarify the characteristics and function of nucleophosmin/nucleoplasmin in teleost fish, we cloned a full-length cDNA sequence from two cyprinid fish, Carassius auratus gibelio and Carassius auratus. Molecular characterization and multiple sequence alignments suggested that they are the homologs of nucleophosmin. RT-PCR and Western blot detected a specific expression in gonads, and immunofluorescence localization revealed their distribution in oogenic and spermatogenic cells. Furthermore, a sperm decondensation function was demonstrated by immunodepletion and in vitro sperm decondensation experiments. The data suggest that the cloned nucleophosmin should share expressional and functional characterization with nucleoplasmin and therefore provide novel evidence for a functional commonality of nucleophosmin and nucleoplasmin in fish.

Numerical modelling of adsorption of metallic particles on graphite substrate via molecular dynamics simulation

A computer-based numerical modelling of the adsorption process of gas phase metallic particles on the surface of a graphite substrate has been performed via the application of molecular dynamics simulation method. The simulation relates to an extensive STM-based experiment performed in this field, and reproduces part of the experimental results. Both two-body and many-body inter-atomic potentials have been employed. A Morse-type potential describing the metal-carbon interactions at the interface was specifically formulated for this modelling. Intercalation of silver in graphite has been observed as well as the correct alignments of monomers, dimers and two-dimensional islands on the surface. PACS numbers: 02.60.Cb, 07.05.Tp, 68.55.-a, 81.05.Tp

Molecular Modeling on Inhibitor Complexes and Active-Site Dynamics of Cytochrome P450 C17, a Target for Prostate Cancer Therapy

A molecular model for the P450 enzyme cytochrome P450 C17 (CYP17) is presented based on sequence alignments of multiple template structures and homology modeling. This enzyme plays a central role in the biosynthesis of testosterone and is emerging as a major target in prostate cancer, with the recently developed inhibitor abiraterone currently in advanced clinical trials. The model is described in detail, together with its validation, by providing structural explanations to available site-directed mutagenesis data. The CYP17 molecule in this model is in the form of a triangular prism, with an edge of similar to 55 angstrom and a thickness of similar to 37 angstrom. It is predominantly helical, comprising 13 alpha helices interspersed by six 3(10) helices and 11 beta-sheets. Multinanosecond molecular dynamics simulations in explicit solvent have been carried out, and principal components analysis has been used to reveal the details of dynamics around the active site. Coarse-grained methods have also been used to verify low-frequency motions, which have been correlated with active-site gating. The work also describes the results of docking synthetic inhibitors, including the drug abiraterone and the natural substrate pregnenolone, in the CYP17 active site together with molecular dynamics simulations on the complexes. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Funcions densitat i semblança molecular quàntica: nous desenvolupaments i aplicacions

La present tesi, tot i que emmarcada dins de la teoria de les Mesures Semblança Molecular Quántica (MQSM), es deriva en tres àmbits clarament definits: - La creació de Contorns Moleculars de IsoDensitat Electrònica (MIDCOs, de l'anglès Molecular IsoDensity COntours) a partir de densitats electròniques ajustades. - El desenvolupament d'un mètode de sobreposició molecular, alternatiu a la regla de la màxima semblança. - Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR, de l'anglès Quantitative Structure-Activity Relationships). L'objectiu en el camp dels MIDCOs és l'aplicació de funcions densitat ajustades, ideades inicialment per a abaratir els càlculs de MQSM, per a l'obtenció de MIDCOs. Així, es realitza un estudi gràfic comparatiu entre diferents funcions densitat ajustades a diferents bases amb densitats obtingudes de càlculs duts a terme a nivells ab initio. D'aquesta manera, l'analogia visual entre les funcions ajustades i les ab initio obtinguda en el ventall de representacions de densitat obtingudes, i juntament amb els valors de les mesures de semblança obtinguts prèviament, totalment comparables, fonamenta l'ús d'aquestes funcions ajustades. Més enllà del propòsit inicial, es van realitzar dos estudis complementaris a la simple representació de densitats, i són l'anàlisi de curvatura i l'extensió a macromolècules. La primera observació correspon a comprovar no només la semblança dels MIDCOs, sinó la coherència del seu comportament a nivell de curvatura, podent-se així observar punts d'inflexió en la representació de densitats i veure gràficament aquelles zones on la densitat és còncava o convexa. Aquest primer estudi revela que tant les densitats ajustades com les calculades a nivell ab initio es comporten de manera totalment anàloga. En la segona part d'aquest treball es va poder estendre el mètode a molècules més grans, de fins uns 2500 àtoms. Finalment, s'aplica part de la filosofia del MEDLA. Sabent que la densitat electrònica decau ràpidament al allunyar-se dels nuclis, el càlcul d'aquesta pot ser obviat a distàncies grans d'aquests. D'aquesta manera es va proposar particionar l'espai, i calcular tan sols les funcions ajustades de cada àtom tan sols en una regió petita, envoltant l'àtom en qüestió. Duent a terme aquest procés, es disminueix el temps de càlcul i el procés esdevé lineal amb nombre d'àtoms presents en la molècula tractada. En el tema dedicat a la sobreposició molecular es tracta la creació d'un algorisme, així com la seva implementació en forma de programa, batejat Topo-Geometrical Superposition Algorithm (TGSA), d'un mètode que proporcionés aquells alineaments que coincideixen amb la intuïció química. El resultat és un programa informàtic, codificat en Fortran 90, el qual alinea les molècules per parelles considerant tan sols nombres i distàncies atòmiques. La total absència de paràmetres teòrics permet desenvolupar un mètode de sobreposició molecular general, que proporcioni una sobreposició intuïtiva, i també de forma rellevant, de manera ràpida i amb poca intervenció de l'usuari. L'ús màxim del TGSA s'ha dedicat a calcular semblances per al seu ús posterior en QSAR, les quals majoritàriament no corresponen al valor que s'obtindria d'emprar la regla de la màxima semblança, sobretot si hi ha àtoms pesats en joc. Finalment, en l'últim tema, dedicat a la Semblança Quàntica en el marc del QSAR, es tracten tres aspectes diferents: - Ús de matrius de semblança. Aquí intervé l'anomenada matriu de semblança, calculada a partir de les semblances per parelles d'entre un conjunt de molècules. Aquesta matriu és emprada posteriorment, degudament tractada, com a font de descriptors moleculars per a estudis QSAR. Dins d'aquest àmbit s'han fet diversos estudis de correlació d'interès farmacològic, toxicològic, així com de diverses propietats físiques. - Aplicació de l'energia d'interacció electró-electró, assimilat com a una forma d'autosemblança. Aquesta modesta contribució consisteix breument en prendre el valor d'aquesta magnitud, i per analogia amb la notació de l'autosemblança molecular quàntica, assimilar-la com a cas particular de d'aquesta mesura. Aquesta energia d'interacció s'obté fàcilment a partir de programari mecanoquàntic, i esdevé ideal per a fer un primer estudi preliminar de correlació, on s'utilitza aquesta magnitud com a únic descriptor. - Càlcul d'autosemblances, on la densitat ha estat modificada per a augmentar el paper d'un substituent. Treballs previs amb densitats de fragments, tot i donar molt bons resultats, manquen de cert rigor conceptual en aïllar un fragment, suposadament responsable de l'activitat molecular, de la totalitat de l'estructura molecular, tot i que les densitats associades a aquest fragment ja difereixen degut a pertànyer a esquelets amb diferents substitucions. Un procediment per a omplir aquest buit que deixa la simple separació del fragment, considerant així la totalitat de la molècula (calcular-ne l'autosemblança), però evitant al mateix temps valors d'autosemblança no desitjats provocats per àtoms pesats, és l'ús de densitats de Forats de fermi, els quals es troben definits al voltant del fragment d'interès. Aquest procediment modifica la densitat de manera que es troba majoritàriament concentrada a la regió d'interès, però alhora permet obtenir una funció densitat, la qual es comporta matemàticament igual que la densitat electrònica regular, podent-se així incorporar dins del marc de la semblança molecular. Les autosemblances calculades amb aquesta metodologia han portat a bones correlacions amb àcids aromàtics substituïts, podent així donar una explicació al seu comportament. Des d'un altre punt de vista, també s'han fet contribucions conceptuals. S'ha implementat una nova mesura de semblança, la d'energia cinètica, la qual consisteix en prendre la recentment desenvolupada funció densitat d'energia cinètica, la qual al comportar-se matemàticament igual a les densitats electròniques regulars, s'ha incorporat en el marc de la semblança. A partir d'aquesta mesura s'han obtingut models QSAR satisfactoris per diferents conjunts moleculars. Dins de l'aspecte del tractament de les matrius de semblança s'ha implementat l'anomenada transformació estocàstica com a alternativa a l'ús de l'índex Carbó. Aquesta transformació de la matriu de semblança permet obtenir una nova matriu no simètrica, la qual pot ser posteriorment tractada per a construir models QSAR.

Desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica

La present Tesi Doctoral, titulada desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica, tracta, fonamentalment, els aspectes de càlcul de mesures de semblança basades en la comparació de funcions de densitat electrònica.El primer capítol, Semblança quàntica, és introductori. S'hi descriuen les funcions de densitat de probabilitat electrònica i llur significança en el marc de la mecànica quàntica. Se n'expliciten els aspectes essencials i les condicions matemàtiques a satisfer, cara a una millor comprensió dels models de densitat electrònica que es proposen. Hom presenta les densitats electròniques, mencionant els teoremes de Hohenberg i Kohn i esquematitzant la teoria de Bader, com magnituds fonamentals en la descripció de les molècules i en la comprensió de llurs propietats.En el capítol Models de densitats electròniques moleculars es presenten procediments computacionals originals per l'ajust de funcions densitat a models expandits en termes de gaussianes 1s centrades en els nuclis. Les restriccions físico-matemàtiques associades a les distribucions de probabilitat s'introdueixen de manera rigorosa, en el procediment anomenat Atomic Shell Approximation (ASA). Aquest procediment, implementat en el programa ASAC, parteix d'un espai funcional quasi complert, d'on se seleccionen variacionalment les funcions o capes de l'expansió, d'acord als requisits de no negativitat. La qualitat d'aquestes densitats i de les mesures de semblança derivades es verifica abastament. Aquest model ASA s'estén a representacions dinàmiques, físicament més acurades, en quant que afectades per les vibracions nuclears, cara a una exploració de l'efecte de l'esmorteïment dels pics nuclears en les mesures de semblança molecular. La comparació de les densitats dinàmiques respecte les estàtiques evidencia un reordenament en les densitats dinàmiques, d'acord al que constituiria una manifestació del Principi quàntic de Le Chatelier. El procediment ASA, explícitament consistent amb les condicions de N-representabilitat, s'aplica també a la determinació directe de densitats electròniques hidrogenoides, en un context de teoria del funcional de la densitat.El capítol Maximització global de la funció de semblança presenta algorismes originals per la determinació de la màxima sobreposició de les densitats electròniques moleculars. Les mesures de semblança molecular quàntica s'identifiquen amb el màxim solapament, de manera es mesuri la distància entre les molècules, independentment dels sistemes de referència on es defineixen les densitats electròniques. Partint de la solució global en el límit de densitats infinitament compactades en els nuclis, es proposen tres nivells de aproximació per l'exploració sistemàtica, no estocàstica, de la funció de semblança, possibilitant la identificació eficient del màxim global, així com també dels diferents màxims locals. Es proposa també una parametrització original de les integrals de recobriment a través d'ajustos a funcions lorentzianes, en quant que tècnica d'acceleració computacional. En la pràctica de les relacions estructura-activitat, aquests avenços possibiliten la implementació eficient de mesures de semblança quantitatives, i, paral·lelament, proporcionen una metodologia totalment automàtica d'alineació molecular. El capítol Semblances d'àtoms en molècules descriu un algorisme de comparació dels àtoms de Bader, o regions tridimensionals delimitades per superfícies de flux zero de la funció de densitat electrònica. El caràcter quantitatiu d'aquestes semblances possibilita la mesura rigorosa de la noció química de transferibilitat d'àtoms i grups funcionals. Les superfícies de flux zero i els algorismes d'integració usats han estat publicats recentment i constitueixen l'aproximació més acurada pel càlcul de les propietats atòmiques. Finalment, en el capítol Semblances en estructures cristal·lines hom proposa una definició original de semblança, específica per la comparació dels conceptes de suavitat o softness en la distribució de fonons associats a l'estructura cristal·lina. Aquests conceptes apareixen en estudis de superconductivitat a causa de la influència de les interaccions electró-fonó en les temperatures de transició a l'estat superconductor. En aplicar-se aquesta metodologia a l'anàlisi de sals de BEDT-TTF, s'evidencien correlacions estructurals entre sals superconductores i no superconductores, en consonància amb les hipòtesis apuntades a la literatura sobre la rellevància de determinades interaccions.Conclouen aquesta tesi un apèndix que conté el programa ASAC, implementació de l'algorisme ASA, i un capítol final amb referències bibliogràfiques.

Phylogenomics of eukaryotes: Impact of missing data on large alignments

Resolving the relationships between Metazoa and other eukaryotic groups as well as between metazoan phyla is central to the understanding of the origin and evolution of animals. The current view is based on limited data sets, either a single gene with many species (e.g., ribosomal RNA) or many genes but with only a few species. Because a reliable phylogenetic inference simultaneously requires numerous genes and numerous species, we assembled a very large data set containing 129 orthologous proteins (similar to30,000 aligned amino acid positions) for 36 eukaryotic species. Included in the alignments are data from the choanoflagellate Monosiga ovata, obtained through the sequencing of about 1,000 cDNAs. We provide conclusive support for choanoflagellates as the closest relative of animals and for fungi as the second closest. The monophyly of Plantae and chromalveolates was recovered but without strong statistical support. Within animals, in contrast to the monophyly of Coelomata observed in several recent large-scale analyses, we recovered a paraphyletic Coelamata, with nematodes and platyhelminths nested within. To include a diverse sample of organisms, data from EST projects were used for several species, resulting in a large amount of missing data in our alignment (about 25%). By using different approaches, we verify that the inferred phylogeny is not sensitive to these missing data. Therefore, this large data set provides a reliable phylogenetic framework for studying eukaryotic and animal evolution and will be easily extendable when large amounts of sequence information become available from a broader taxonomic range.

Detecting recombination in 4-taxa DNA sequence alignments with Bayesian hidden Markov models and Markov chain Monte Carlo

This article presents a statistical method for detecting recombination in DNA sequence alignments, which is based on combining two probabilistic graphical models: (1) a taxon graph (phylogenetic tree) representing the relationship between the taxa, and (2) a site graph (hidden Markov model) representing interactions between different sites in the DNA sequence alignments. We adopt a Bayesian approach and sample the parameters of the model from the posterior distribution with Markov chain Monte Carlo, using a Metropolis-Hastings and Gibbs-within-Gibbs scheme. The proposed method is tested on various synthetic and real-world DNA sequence alignments, and we compare its performance with the established detection methods RECPARS, PLATO, and TOPAL, as well as with two alternative parameter estimation schemes.