Linear readout of dynamic phase modulation index in an optical voltage sensor using the new J(1) ... J(3) spectral method

The J(1)...J(3) is a recent optical method for linear readout of dynamic phase modulation index in homodyne interferometers. In this work, the J(1)... J(3) method is applied to measure voltage in an optical voltage sensor. Based on the classical J(1)...J(4) method, the J(1)... J(3) technique shows to be more stable to phase drift and simpler for implementation than the original one. The sensor dynamic range is enhanced. The agreement between theoretical and experimental results, based on 1/f noise, is demonstrated.

Online two-section PV array fault diagnosis with optimized voltage sensor locations

Photovoltaic (PV) stations have been widely built in the world to utilize solar energy directly. In order to reduce the capital and operational costs, early fault diagnosis is playing an increasingly important role by enabling the long effective operation of PV arrays. This paper analyzes the terminal characteristics of faulty PV strings and arrays, and it develops a PV array fault diagnosis technique. The terminal current-voltage curve of a faulty PV array is divided into two sections, i.e., high-voltage and low-voltage fault diagnosis sections. The corresponding working points of healthy string modules and of healthy and faulty modules in an unhealthy string are then analyzed for each section. By probing into different working points, a faulty PV module can be located. The fault information is of critical importance for the maximum power point tracking and the array dynamical reconfiguration. Furthermore, the string current sensors can be eliminated, and the number of voltage sensors can be reduced by optimizing voltage sensor locations. Typical fault scenarios including monostring, multistring, and a partial shadow for a 1.6-kW 3 $times$ 3 PV array are presented and experimentally tested to confirm the effectiveness of the proposed fault diagnosis method.

Use-dependent block of the voltage-gated Na+ channel by tetrodotoxin and saxitoxin: Effect of pore mutations that change ionic selectivity.

Voltage-gated Na(+) channels (NaV channels) are specifically blocked by guanidinium toxins such as tetrodotoxin (TTX) and saxitoxin (STX) with nanomolar to micromolar affinity depending on key amino acid substitutions in the outer vestibule of the channel that vary with NaV gene isoforms. All NaV channels that have been studied exhibit a use-dependent enhancement of TTX/STX affinity when the channel is stimulated with brief repetitive voltage depolarizations from a hyperpolarized starting voltage. Two models have been proposed to explain the mechanism of TTX/STX use dependence: a conformational mechanism and a trapped ion mechanism. In this study, we used selectivity filter mutations (K1237R, K1237A, and K1237H) of the rat muscle NaV1.4 channel that are known to alter ionic selectivity and Ca(2+) permeability to test the trapped ion mechanism, which attributes use-dependent enhancement of toxin affinity to electrostatic repulsion between the bound toxin and Ca(2+) or Na(+) ions trapped inside the channel vestibule in the closed state. Our results indicate that TTX/STX use dependence is not relieved by mutations that enhance Ca(2+) permeability, suggesting that ion-toxin repulsion is not the primary factor that determines use dependence. Evidence now favors the idea that TTX/STX use dependence arises from conformational coupling of the voltage sensor domain or domains with residues in the toxin-binding site that are also involved in slow inactivation.

Influence des glycines du lien S4-S5 sur le couplage électromécanique des canaux ioniques dépendants du voltage

Les canaux potassiques dépendants du voltage sont formés de quatre sous-unités, chacune possédant six segments transmembranaires (S1-S6) et une boucle (p-loop) qui se trouve entre le cinquième et le sixième segment au niveau du pore. Il est connu que le segment senseur du voltage (S1-S4) subit un mouvement lorsque le potentiel membranaire change. Pour ouvrir le canal, il est nécessaire de transférer l'énergie du senseur du voltage (généré par le mouvement des charges positives de S4) au pore. Le mécanisme exact de ce couplage électromécanique est encore sous étude. Un des points de liaison entre le senseur de voltage et le pore est le lien physique fait par le segment S4-S5 (S45L). Le but de cette étude est de déterminer l'influence de la flexibilité du segment S45L sur le processus de couplage. Dans le S45L, trois glycines sont distribuées dans des positions différentes. Elles sont responsables de la flexibilité des hélices-alpha. Ces glycines (mais pas leurs positions exactes) sont conservées pour tous les canaux potassiques dépendants de potentiel. En utilisant la technique de mutagènes dirigé, la glycine a été remplacée dans chacune de ces différentes positions par une alanine et dans une deuxième étape, par une proline (pour introduire un angle dans l'hélice). Pour étudier le comportement des canaux dans cette nouvelle conformation, on a appliqué la technique de « patch clamp » pour déterminer les effets lors de l'ouverture du pore (courant ionique). Avec le « cut-open oocyte voltage-clamp », nous avons étudié les effets sur le mouvement du senseur de voltage (courant “gating”) et la coordination temporelle avec l'ouverture du pore (courant ionique). Les données ont montré qu’en réduisant la flexibilité dans le S45L, il faut avoir plus d'énergie pour faire ouvrir le canal. Le changement pour une proline suggère que le mouvement du senseur est indépendant du pore pendant l'ouverture du canal.

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.

Étude structurale et fonctionnelle du canal potassium dépendant du voltage KvAP

Les canaux ioniques dépendants du voltage sont responsables de l'initiation et de la propagation des potentiels d'action dans les cellules excitables. De nombreuses maladies héréditaires (channelopathies) sont associées à un contrôle défectueux du voltage par ces canaux (arythmies, épilepsie, etc.). L’établissement de la relation structure-fonction exacte de ces canaux est donc crucial pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques spécifiques. Dans ce contexte, le canal procaryote dépendant du voltage et sélectif au potassium KvAP a servi de modèle d’étude afin d’approfondir i) le processus du couplage électromécanique, ii) l’influence des lipides sur l’activité voltage-dépendante et iii) l’inactivation de type closed-state. Afin de pallier à l’absence de données structurales dynamiques du côté cytosolique ainsi que de structure cristalline dans l’état fermé, nous avons mesuré le mouvement du linker S4-S5 durant le gating par spectroscopie de fluorescence (LRET). Pour ce faire, nous avons utilisé une technique novatrice du contrôle de l’état conformationnel du canal en utilisant les lipides (phospholipides et non phospholipides) au lieu du voltage. Un modèle dans l’état fermé a ainsi été produit et a démontré qu’un mouvement latéral modeste de 4 Å du linker S4-S5 est suffisant pour mener à la fermeture du pore de conduction. Les interactions lipides - canaux jouent un rôle déterminant dans la régulation de la fonction des canaux ioniques mais ne sont pas encore bien caractérisées. Nous avons donc également étudié l’influence de différents lipides sur l’activation voltage - dépendante de KvAP et mis en évidence deux sites distincts d’interactions menant à des effets différents : au niveau du senseur de voltage, menant au déplacement de la courbe conductance-voltage, et du côté intracellulaire, influençant le degré de la pente de cette même courbe. Nous avons également démontré que l’échange de lipides autour de KvAP est extrêmement limité et affiche une dépendance à l’état conformationnel du canal, ne se produisant que dans l’état ouvert. KvAP possède une inactivation lente particulière, accessible depuis l'état ouvert. Nous avons étudié les effets de la composition lipidique et de la température sur l'entrée dans l'état inactivé et le temps de récupération. Nous avons également utilisé la spectroscopie de fluorescence (quenching) en voltage imposé afin d'élucider les bases moléculaires de l’inactivation de type closed-state. Nous avons identifié une position à la base de l’hélice S4 qui semble impliquée à la fois dans le mécanisme responsable de ce type d'inactivation et dans la récupération particulièrement lente qui est typique du canal KvAP.

Development of thermo-analytical prediction and classification models for food in thermal devices using a multi sensor system and artificial neural networks

Die thermische Verarbeitung von Lebensmitteln beeinflusst deren Qualität und ernährungsphysiologischen Eigenschaften. Im Haushalt ist die Überwachung der Temperatur innerhalb des Lebensmittels sehr schwierig. Zudem ist das Wissen über optimale Temperatur- und Zeitparameter für die verschiedenen Speisen oft unzureichend. Die optimale Steuerung der thermischen Zubereitung ist maßgeblich abhängig von der Art des Lebensmittels und der äußeren und inneren Temperatureinwirkung während des Garvorgangs. Das Ziel der Arbeiten war die Entwicklung eines automatischen Backofens, der in der Lage ist, die Art des Lebensmittels zu erkennen und die Temperatur im Inneren des Lebensmittels während des Backens zu errechnen. Die für die Temperaturberechnung benötigten Daten wurden mit mehreren Sensoren erfasst. Hierzu kam ein Infrarotthermometer, ein Infrarotabstandssensor, eine Kamera, ein Temperatursensor und ein Lambdasonde innerhalb des Ofens zum Einsatz. Ferner wurden eine Wägezelle, ein Strom- sowie Spannungs-Sensor und ein Temperatursensor außerhalb des Ofens genutzt. Die während der Aufheizphase aufgenommen Datensätze ermöglichten das Training mehrerer künstlicher neuronaler Netze, die die verschiedenen Lebensmittel in die entsprechenden Kategorien einordnen konnten, um so das optimale Backprogram auszuwählen. Zur Abschätzung der thermische Diffusivität der Nahrung, die von der Zusammensetzung (Kohlenhydrate, Fett, Protein, Wasser) abhängt, wurden mehrere künstliche neuronale Netze trainiert. Mit Ausnahme des Fettanteils der Lebensmittel konnten alle Komponenten durch verschiedene KNNs mit einem Maximum von 8 versteckten Neuronen ausreichend genau abgeschätzt werden um auf deren Grundlage die Temperatur im inneren des Lebensmittels zu berechnen. Die durchgeführte Arbeit zeigt, dass mit Hilfe verschiedenster Sensoren zur direkten beziehungsweise indirekten Messung der äußeren Eigenschaften der Lebensmittel sowie KNNs für die Kategorisierung und Abschätzung der Lebensmittelzusammensetzung die automatische Erkennung und Berechnung der inneren Temperatur von verschiedensten Lebensmitteln möglich ist.

Demodulação de sinais interferométricos de saída de sensor eletro-óptico de tensões elevadas utilizando processador digital de sinais

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Outward Rectification of Voltage-Gated K+ Channels Evolved at Least Twice in Life History

Voltage-gated potassium (K+) channels are present in all living systems. Despite high structural similarities in the transmembrane domains (TMD), this K+ channel type segregates into at least two main functional categories—hyperpolarization-activated, inward-rectifying (Kin) and depolarization-activated, outward-rectifying (Kout) channels. Voltage-gated K+ channels sense the membrane voltage via a voltage-sensing domain that is connected to the conduction pathway of the channel. It has been shown that the voltage-sensing mechanism is the same in Kin and Kout channels, but its performance results in opposite pore conformations. It is not known how the different coupling of voltage-sensor and pore is implemented. Here, we studied sequence and structural data of voltage-gated K+ channels from animals and plants with emphasis on the property of opposite rectification. We identified structural hotspots that alone allow already the distinction between Kin and Kout channels. Among them is a loop between TMD S5 and the pore that is very short in animal Kout, longer in plant and animal Kin and the longest in plant Kout channels. In combination with further structural and phylogenetic analyses this finding suggests that outward-rectification evolved twice and independently in the animal and plant kingdom.

Voltage-controlled gating in a large conductance Ca2+-sensitive K+channel (hslo)

Large conductance calcium- and voltage-sensitive K+ (MaxiK) channels share properties of voltage- and ligand-gated ion channels. In voltage-gated channels, membrane depolarization promotes the displacement of charged residues contained in the voltage sensor (S4 region) inducing gating currents and pore opening. In MaxiK channels, both voltage and micromolar internal Ca2+ favor pore opening. We demonstrate the presence of voltage sensor rearrangements with voltage (gating currents) whose movement and associated pore opening is triggered by voltage and facilitated by micromolar internal Ca2+ concentration. In contrast to other voltage-gated channels, in MaxiK channels there is charge movement at potentials where the pore is open and the total charge per channel is 4–5 elementary charges.

Changes in voltage activation, Cs+ sensitivity, and ion permeability in H5 mutants of the plant K+ channel KAT1.

KAT1 is a voltage-dependent inward rectifying K+ channel cloned from the higher plant Arabidopsis thaliana [Anderson, J. A., Huprikar, S. S., Kochian, L. V., Lucas, W. J. & Gaber, R. F. (1992) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, 3736-3740]. It is related to the Shaker superfamily of K+ channels characterized by six transmembrane spanning domains (S1-S6) and a putative pore-forming region between S5 and S6 (H5). The 115 region between Pro-247 and Pro-271 in KAT1 contains 14 additional amino acids when compared with Shaker [Aldrich, R. W. (1993) Nature (London) 362, 107-108]. We studied various point mutations introduced into H5 to determine whether voltage-dependent plant and animal K+ channels share similar pore structures. Through heterologous expression in Xenopus oocytes and voltage-clamp analysis combined with phenotypic analysis involving a potassium transport-defective Saccharomyces cerevisiae strain, we investigated the selectivity filter of the mutants and their susceptibility toward inhibition by cesium and calcium ions. With respect to electrophysiological properties, KAT1 mutants segregated into three groups: (i) wild-type-like channels, (ii) channels modified in selectivity and Cs+ or Ca2+ sensitivity, and (iii) a group that was additionally affected in its voltage dependence. Despite the additional 14 amino acids in H5, this motif in KAT1 is also involved in the formation of the ion-conducting pore because amino acid substitutions at Leu-251, Thr-256, Thr-259, and Thr-260 resulted in functional channels with modified ionic selectivity and inhibition. Creation of Ca2+ sensitivity and an increased susceptibility to Cs+ block through mutations within the narrow pore might indicate that both blockers move deeply into the channel. Furthermore, mutations close to the rim of the pore affecting the half-activation potential (U1/2) indicate that amino acids within the pore either interact with the voltage sensor or ion permeation feeds back on gating.

A gain-of-function allele of TPC1 activates oxylipin biogenesis after leaf wounding in Arabidopsis.

Jasmonates, potent lipid mediators of defense gene expression in plants, are rapidly synthesized in response to wounding. These lipid mediators also stimulate their own production via a positive feedback circuit, which depends on both JA synthesis and JA signaling. To date, molecular components regulating the activation of jasmonate biogenesis and its feedback loop have been poorly characterized. We employed a genetic screen capable of detecting the misregulated activity of 13-lipoxygenase, which operates at the entry point of the jasmonate biosynthesis pathway. Leaf extracts from the Arabidopsis fou2 (fatty acid oxygenation upregulated 2) mutant displayed an increased capacity to catalyze the synthesis of lipoxygenase (LOX) metabolites. Quantitative oxylipin analysis identified less than twofold increased jasmonate levels in healthy fou2 leaves compared to wild-type; however, wounded fou2 leaves strongly increased jasmonate biogenesis compared to wounded wild-type. Furthermore, the plants displayed enhanced resistance to the fungus Botrytis cinerea. Higher than wild-type LOX activity and enhanced resistance in the fou2 mutant depend fully on a functional jasmonate response pathway. The fou2 mutant carries a missense mutation in the putative voltage sensor of the Two Pore Channel 1 gene (TPC1), which encodes a Ca(2+)-permeant non-selective cation channel. Patch-clamp analysis of fou2 vacuolar membranes showed faster time-dependent conductivity and activation of the mutated channel at lower membrane potentials than wild-type. The results indicate that cation fluxes exert strong control over the positive feedback loop whereby JA stimulates its own synthesis.

Couplage entre les régions IIS4-S5 et IIS6 lors de l’activation du canal calcique CaV2.3

Les canaux calciques dépendants du voltage CaV font partie de la famille structurale des canaux ioniques à 6 segments transmembranaires. Tout comme les canaux potassiques Kv, les canaux CaV possèdent une série de résidus chargés dans l’hélice S4 de chaque domaine ou sous-unité qui conférerait à la protéine une sensibilité aux changements de voltage. De plus les hélices S6 tapissent la paroi du pore et forment la porte d’activation de la protéine. Comment le mouvement des hélices S4 se traduit par l’ouverture de la porte d’activation des hélices S6 demeure une question encore non résolue. Suite à la publication de la structure cristalline du canal Kv1.2 en 2005, le groupe de MacKinnon a proposé que le mouvement des hélices S4 est mécaniquement couplé à la porte d’activation S6 à travers le glissement de l’hélice amphiphile S4-S5 selon un mécanisme nommé couplage électromécanique (Long et al. 2005b). Dans le but de déterminer si la région S4-S5 joue un rôle dans l’activation du canal calcique CaV2.3, nous avons étudié, par la méthode d’analyse cyclique de mutations doubles (« Double Mutant Cycle Analysis », (Horovitz 1996)), le couplage entre la boucle S4-S5 et l’hélice S6 du domaine II de ce canal. Les mesures d’énergies d’activation, ΔGact, obtenues en présence des sous-unités auxiliaires CaVα2δ et CaVβ3 ont affiché un couplage significatif pour l’activation entre les paires de résidus V593G/L699G, V593G/A700G, V593G/A702G, S595G/V703G L596G/L699G, L596G/A700G, L596G/I701G, L596G/A702G, L596G/V703G, L596G/D704G, M597G/I701G, et S602G/I701G. Aucune de ces paires de résidus n’a affiché de couplage lors de l’inactivation, suggérant que les effets observés sont spécifiques au mécanisme d’activation. Mis ensemble, ces résultats suggèrent que la boucle IIS4-S5 et l’hélice IIS6 interagissent et jouent un rôle déterminant dans l’activation de CaV2.3.

Novas técnicas de detecção de fase óptica em interferômetros homódinos aplicadas à caracterização de atuadores piezoelétricos flextensionais

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Design of laminated piezocomposite shell transducers with arbitrary fiber orientation using topology optimization approach

Sensor and actuator based on laminated piezocomposite shells have shown increasing demand in the field of smart structures. The distribution of piezoelectric material within material layers affects the performance of these structures; therefore, its amount, shape, size, placement, and polarization should be simultaneously considered in an optimization problem. In addition, previous works suggest the concept of laminated piezocomposite structure that includes fiber-reinforced composite layer can increase the performance of these piezoelectric transducers; however, the design optimization of these devices has not been fully explored yet. Thus, this work aims the development of a methodology using topology optimization techniques for static design of laminated piezocomposite shell structures by considering the optimization of piezoelectric material and polarization distributions together with the optimization of the fiber angle of the composite orthotropic layers, which is free to assume different values along the same composite layer. The finite element model is based on the laminated piezoelectric shell theory, using the degenerate three-dimensional solid approach and first-order shell theory kinematics that accounts for the transverse shear deformation and rotary inertia effects. The topology optimization formulation is implemented by combining the piezoelectric material with penalization and polarization model and the discrete material optimization, where the design variables describe the amount of piezoelectric material and polarization sign at each finite element, with the fiber angles, respectively. Three different objective functions are formulated for the design of actuators, sensors, and energy harvesters. Results of laminated piezocomposite shell transducers are presented to illustrate the method. Copyright (C) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.