Information security is being considered of great importance to the private and governamental institutions. For this reason, we opted to conduct a study of security in this dissertation. We started with an introduction to the information theory, and then we proposed a new kind of Perfect Secrecy cryptographic and finally made a study of steganography in an image sequence, in which we suggest a more aggressive steganography in coefficients of the discrete cosine transform. / A segurança da informação vem sendo considerada de grande importância para as instituições privadas e governamentais. Por este motivo, optamos em realizar um estudo sobre segurança nesta dissertação. Iniciamos com uma introdução à teoria da informação, partimos para métodos de criptografia onde propomos um novo tipo de Segredo Perfeito e finalmente fazemos um estudo de esteganografia em uma sequência de imagens, onde propomos uma esteganografia mais agressiva nos coeficientes da transformada discreta de cosseno.

Quatro novos métodos de elementos finitos destinados a resolução de problemas de reacao-difusao singularmente perturbados, e designados por método de Galerkin enriquecido (MGE), metodo estabilizado multiescala (MEMp) e (MEM-g), e método enriquecido de Petrov-Galerkin descontinuo no tempo (MEPGDT), são propostos. Os três primeiros métodos são dedicados a resolução da equação de reacao-difusao estacionaria, enquanto que o ultimo e proposto para resolver a equacao de reacao-difusao transiente. Estimativas a priori de erro ótimas nas normas naturais L2 e H1 são derivadas para os métodos MGE, MEM-p e MEM-g. Para o MEPGDT, uma estimativa a priori de erro otima na norma da energia, e fornecida. As taxas de convergência teóricas são confirmadas atraves de diversos experimentos numéricos. Os novos métodos numéricos são também validados numericamente através da resolução de problemas singularmente perturbados que demonstram a ótima performance dos novos métodos propostos. / Four new finite element methods, namely, Galerkin Enriched Method (MGE),Multiscale Stabilizad Method (MEM-p) and (MEM-g), and time-discontinuous Petrov-Galerkin Enriched Method (MEPGDT), are proposed to solve singularly perturbed reaction-difuusion problems. We dedicated the first three methods for solving stationary reaction-di_usion equation, while the latter handles the transient case. Optimal a priori error estimates in L2 and H1 norm for MGE, MEM-p and MEM-g are derived. For MEPGDT, a priori optimal error estimate in the energy norm is provided. Theoretical convergence rates are con_rmed and further investigated by numerical experiments. Also, the methods are validated through several numerical tests of singularly perturbed type, which demonstrate their good performance.

Modelos para diversos fenômenos baseiam-se em equações de balanço ou conservação. Dependendo do fenônemo e do que é admitido pelo modelo, nas equações são simplificadas e resolvidas de diferentes modos. O problema de injeção em um meio poroso de um fluido bifásico cujo equilíbrio depende da temperatura, por exemplo, pode ser modelado por uma equação de conservação de massa que inclui um termo difusivo; esta equação, por sua vez, pode ser discretizada por diferenças finitas tanto no tempo quanto no espaço e resolvida numericamente. O estudo estritamente analítico destes modelos é muito limitado. Uma compreensão mais detalhada do comportamento do modelo só pode ser obtida através de simulações numéricas e do estudo qualitativo de seus resultados. Os resultados de uma simulação só podem ser visualizados uma vez que esta tenha sido concluída: mas simulações de alta qualidade requerem simulações em malhas mais finas, que necessitam de mais tempo computacional. Mesmo para fluxos unidimensionais, o ciclo interativo de especificar os parâmetros para uma nova simulação com base nas conclusões tiradas de simulações prévias necessariamente inclui um tempo de espera indesejável. Sistemas capazes de resolver esta classe de problemas numéricos rápida e eficientemente são portanto o objetivo principal deste trabalho. Para obter alto desempenho no cálculo destas soluções, muitos fatores precisam ser levados em consideração: o custo computacional inerente às equações constitutivas usadas no modelo, o tipo específico de sistema linear resultante da discretização do problema, as diferentes alternativas quanto ao algoritmo de solução do sistema e suas implementações e os pontos fortes e limitações impostas por cada ambiente computacional que se deseja explorar. Como resultado do teste de diversas abordagens em diferentes máquinas, nós obtemos não somente um motor numérico eficiente para os casos de estudo apresentados neste trabalho, mas também um guia para a aplicação destas técnicas a problemas similares.

O volume crescente de textos digitalmente armazenados torna necessária a construção de ferramentas computacionais que permitam a organização e o acesso eficaz e eficiente à informação e ao conhecimento nele contidos. No campo do conhecimento da biomedicina este problema se torna extremamente relevante, pois a maior parte do conhecimento gerado é formalizada através de artigos científicos e é necessário que o acesso a estes seja o mais fácil e rápido possível. A área de pesquisa conhecida como Mineração de Textos (do inglês Text Mining), se propõe a enfrentar este problema ao procurar identificar novas informações e conhecimentos até então desconhecidos, em bases de dados textuais. Uma de suas tarefas é a descoberta de grupos de textos correlatos em base de dados textuais e esse problema é conhecido como agrupamento de textos (do inglês Text Clustering). Para este fim, a representação das bases de dados textuais comumente utilizada no agrupamento de textos é o Modelo Espaço-vetorial, no qual cada texto é representado por um vetor de características, que são as freqüências das palavras ou termos que nele ocorrem. O conjunto de vetores forma uma matriz denominada de documento-termo, que é esparsa e de alta dimensionalidade. Para atenuar os problemas decorrentes dessas características, normalmente é selecionado um subconjunto de termos, construindo-se assim uma nova matriz documento-termo com um número reduzido de dimensões que é então utilizada nos algoritmos de agrupamento. Este trabalho se desdobra em: i) introdução e implementação de dois algoritmos para seleção de termos e ii) avaliação dos algoritmos k-means, espectral e de particionamento de grafos, em cinco base de dados de textos previamente classificadas. As bases de dados são pré-processadas através de métodos descritos na literatura, produzindo-se as matrizes documento-termo. Os resultados indicam que os algoritmos de seleção propostos, para a redução das matrizes documento-termo, melhoram o desempenho dos algoritmos de agrupamento avaliados. Os algoritmos k-means e espectral têm um desempenho superior ao algoritmos de particionamento de grafos no agrupamento de bases de dados textuais, com ou sem a seleção de características. / The increasing amount of digitally stored texts makes necessary the development of computational tools to allow the access of information and knowledge in an efficient and efficacious manner. This problem is extremely relevant in biomedicine research, since most of the generated knowledge is translated into scientific articles and it is necessary to have the most easy and fast access. The research field known as Text Mining deals with the problem of identifying new information and knowledge in text databases. One of its tasks is to find in databases groups of texts that are correlated, an issue known as text clustering. To allow clustering, text databases must be transformed into the commonly used Vector Space Model, in which texts are represented by vectors composed by the frequency of occurrence of words and terms present in the databases. The set of vectors composing a matrix named document-term is usually sparse with high dimension. Normally, to attenuate the problems caused by these features, a subset of terms is selected, thus giving rise a new document-term matrix with reduced dimensions, which is then used by clustering algorithms. This work presents two algorithms for terms selection and the evaluation of clustering algorithms: k-means, spectral and graph portioning, in five pre-classified databases. The databases were pre-processed by previously described methods. The results indicate that the term selection algorithms implemented increased the performance of the clustering algorithms used and that the k-means and spectral algorithms outperformed the graph portioning.

A integração entre o citoesqueleto celular e a MEC mediada pelas integrinas gera a produção de força mecânica sobre a membrana plasmática. Isto permite às células gerar tração durante sua migração e tensão durante o remodelamento da MEC. Várias proteínas com diferentes funções já foram identificadas como ligantes das subunidades a e b das integrinas. O estudo de proteínas capazes de se ligar e interferir na sinalização via integrina, como as desintegrinas-like e cisteina-rich presentes nos venenos de serpente e proteínas conhecidas como ADAM (A Disintegrin And Metaloprotease), torna-se cada vez mais importante. Assim, o isolamento, a caracterização e a determinação da estrutura de várias desintegrinas oferecem valiosas ferramentas para o desenvolvimento de novos compostos terapêuticos para um vasto número de doenças, sendo excelentes candidatos-protótipo para o desenvolvimento de novos fármacos que interfiram nas funções celulares moduladas por proteínas de adesão. Entretanto, as formas como a integrina e a ADAM interagem ainda não foram bem esclarecidas. Neste contexto, este trabalho visa analisar em escalar molecular a estrutura da integrina alpha6beta1 e do domínio desintegrina-like das ADAMs 2 e 9 humanas, e a forma como estas proteínas interagem, aplicando metodologias de biologia computacional estrutural como modelagem e dinâmica molecular. Com o objetivo de estudar a interação destas proteínas, modelos estruturais foram construídos por homologia a partir das estruturas 3D de proteínas obtidas por cristalografia de raio-X, e realizaram-se simulações de dinâmica molecular com solvente explícito para as proteínas isoladas e em complexo. Através do estudo estrutural e funcional pelo método in silico da integrina alpha6beta1 e ADAMs 2 e 9 humanas, as análises dos resultados das simulações e da flutuação dos resíduos de contato entre as duas proteínas durante a dinâmica molecular, foram desenhados e caracterizados novos candidatos peptídicos para inibição da integrina alpha6beta1. Nas simulações da movimentação angular do domínio bA/Hybrid, visando a possível ativação da integrina alpha6beta1 através da interação com o domínio desintegrina-like de ADAM9 e ligantes peptídicos, obtivemos resultados positivos para os peptídeos A9b e A9d. Este estudo aponta para o desenvolvimento de inibidores protéicos viáveis da integrina alpha6beta1 com base nestas estruturas. Nossos resultados ainda comprovam pelas metodologias in silico a eficácia dos modelos construídos, conseguindo reproduzir o comportamento das proteínas em estudo. / The production of mechanical force on plasma membrane is mediated by integrins, connecting ECM components and cell cytoskeleton. This allows cells to generate traction during migration and tension during ECM remodeling. Integrins are membrane-spaning adhesion receptors that mediate dynamic linkages between intracellular actin cytoskeleton and the extracelullar adhesive matrix, outside-in/inside-out signaling, migration and detachment. Several proteins with diferent functions have already been identified as integrin ligands, and some important candidates as disintegrin-like and cystein-rich domains present in the snake venon metalloproteinases and ADAM (A Disintegrin and Metaloprotease) become important as they interfere in cell signaling pathways mediated by these transmembrane receptors. Thus, the isolation, characterization and structure determination of disintegrin-like domains o_er valuable tools for the development of new therapeutic compounds for a wide range of diseases. These compounds may provide new treatments for diseases such as cancer and inflammation pathologies. However, the mechanisms of ADAM-Integrin interaction have not been well clarified, yet. In this perspective, this study aims to analyze the molecular structure of the alfa6beta1 integrin and the disintegrin-like domain of human ADAM2 and ADAM9. Computational biology methods such as homology modeling and molecular dynamics were used in order to study the dynamics of the interaction of these proteins. Using in silico experimentation, detailed models of human alfa6beta1 and human ADAM 2 and 9 were obtained. Based on these models, the molecular basis of alfa6beta1-ADAMdsld interactions was assessed, and the most important structural components in ligand recognition/discrimination were identified. Using the collected structural information, we designed different small peptide based inhibitors, based on the structure of the interaction loop of human ADAM 9 disintegrin-like domain. Here proposed A9a inhibitor was testedin vitro, showing satisfactory results in blocking cell adhesion on specific substrates by alfa6beta1- laminin affnity inhibition in nanomolar concentrations. Our results also show the effcacy of the constructed models, the power of computational biology tools in new drug-design technologies, and clearly suggest that here presented alfa6beta1 inhibitors are good candidates for further development of new therapeutic agents against inflammation pathologies.

Computadores quânticos prometem resolver certos problemas assintoticamente mais rápido do que os computadores clássicos. Algoritmos quânticos, como o algoritmo de Shor, podem ser considerados casos particulares do chamado Problema do Subgrupo Oculto(PSO). O PSO consiste em encontrar um subgrupo H de um grupo G por meio de avaliações de uma função f que é constante em classes laterais de H e distinta em classes laterais diferentes. O PSO em grupos abelianos é resolvido eficientemente em um computador quântico, mas será que os computadores quânticos podem resolver o PSO em grupos não abelianos? Esta questão tem sido discutida regularmente pela comunidade científica devido a importantes aplicações, como é o caso do problema de isomorfismo de grafos e do problema do menor vetor em um reticulado. Nesta dissertação é feita uma revisão do trabalho de Ivanyos et al. (2007a), o qual apresenta uma solução para o PSO em grupos nilpotentes de classe 2. Com esta finalidade, é elaborada uma breve revisão sobre a Computação Quântica; são mostradas algumas características dos grupos nilpotentes e dos grupos solúveis, dando uma atenção especial aos grupos nilpotentes de classe 2; é exposto o método padrão de solução do PSO em grupos abelianos; também são exibidas as principais características de sequencias policıclicas e reduçõesde grupos nilpotentes usando as propriedades de sequencias policıclicas / Quantum computers may solve certain problems asymptotically faster than the classical computers. Quantum algorithms, such as Shors algorithm, may be considered as a particular case of the Hidden Subgroup Problem (HSP). The HSP consists in finding a subgroup H of a group G by evaluating a function f, which is constant in cosets of H and distinct for each coset. The HSP for Abelian groups is efficiently solved in a quantum computer, but is quantum computers can solve the HSP in non-Abelian groups efficiently? This question has been regularly discussed by the scientific community due to the importance of some applications, such as the graph isomorphism problem and the short vector in a lattice. In this dissertation we review the Ivanyos et al. (2007a) that address HSP in nilpotent groups of class 2. We make a brief review on Quantum Computing; we address some characteristics of nilpotent groups and solvable groups, with special attention to nilpotent groups of class 2; we discuss the standard method of solution of the HSP in Abelian groups; we present the main characteristics of the polycyclic sequences and important reductions of the HSP in classes of nilpotent groups using the properties of polycyclic sequences. Finally, we present an efficient algorithm to solve the HSP in nilpotent groups of class 2.

Com o advento das tecnologias que propiciaram os seqüenciamentos e as análises de genomas completos em tempo relativamente curto, muitos dados sobre vias metabólicas de procariotos e eucariotos puderam ser gerados. Análises comparativas de vias metabólicas de diferentes genomas podem auxiliar no entendimento das relações organizacionais dentre e fora das espécies. Com base em tais perspectivas, este trabalho tem como finalidade implementar um sistema que permita comparar, através de diferentes critérios, vias metabólicas de bactérias. O sistema SAMPA (System for comparative Analysis of Metabolic PAthways) é composto por um banco de dados, com informações sobre vias metabólicas de diversos organismos, e um conjunto de 5 ferramentas utilizadas para comparar estas vias metabólicas e agrupar os organismos que possuam vias metabólicas relacionadas. Como estudo de caso para teste da ferramenta, foi utilizada a família Mycoplasmataceae. / The advent of genome sequencing technology and complete genome analysis has provided new data on prokaryote and eukaryote metabolic pathways. The comparative analysis of metabolic pathways from different organisms can help us understand inter and intra species organizational relationships. Having this in mind, this work focused on building a system that allows for comparing the bacterial metabolic pathways, according to a set of pre-established criteria. SAMPA (System for comparative Analysis of Metabolic PAthways) comprises a database containing information on metabolic pathways in many organisms, and a set of five tools that can be used to compare these metabolic pathways and to group organisms carrying metabolic pathways that are related. As a case study to validate the tool, we the Mycoplasmataceae family of organisms was used.

Modelos computacionais de aqüíferos subterrâneos podem ser construídos para auxiliar a tomada de decisão na gestão de recursos hídricos, simulando situações variadas em condições adversas e visando propor soluções para acidentes ambientais, tais como problemas de contaminação por substâncias tóxicas que afetem a qualidade da água a ser consumida. Os modelos computacionais para aqüíferos consideram o escoamento da água num meio poroso e o transporte do contaminante na água. Modelos de aproximação e discretização no tempo e no espaço como o modelo de diferenças finitas, volumes finitos e elementos finitos são geralmente utilizados com este propósito. Este trabalho apresenta uma metodologia que envolve simulações computacionais pelo método dos elementos finitos e um algoritmo genético paralelizado, para a seleção da solução mais adequada na alocação de poços de remediação, os quais irão retirar a água contaminada do aqüífero. É levado em consideração o custo financeiro como uma restrição ao esquema de despoluição buscado e a função objetivo consiste na minimização do custo e maior redução de poluente, considerando-se restrições no domínio para a alocação dos poços, variação do número de poços e capacidade de bombeamento em cada um deles. / Aquifers underground computational models can be built to help the decision making on water resource management, simulating varied situation in adverse conditions, in order to propose environmental accidents solutions, such as contamination by toxic substances problems that affect the consumed water quality. Computer models for aquifers consider the water disposal in porous medium and contaminants transport in the water. Rapprochement models and time and space discretization, as the finite differences model, finite volume and element are generally used for this purpose. This work presents a methodology involving computer simulations by the finite elements method and parallelized genetic algorithm , in order to select the most appropriate solution in well remediation allocation, which will withdraw the contaminated water from the aquifer. It was taken into account the financial cost as a restriction of the sought depollution and the objective function is to minimize the cost and increase the pollutant reduction, considering area restrictions for wells allocation, variation in the number of wells and ability to pumping in each.

The human immunodeficiency virus (HIV) can be divided into HIV-1 and HIV-2. The former can be divided into groups: M, N and O. Group M, which represents 90% of infections, is divided into several subtypes (A, B, C, D, F, G, H, J and K). It is known today that the most prevalent subtype in the world (and in Africa) is the subtype C, although the most studied is B (prevalent in the U.S. and Western Europe). Several stages the HIV-1 replicating cycle have been identified as a target for pharmacologic intervention. One of the main targets is the enzyme aspartyl protease (PR), which processes the viral polyproteins Gag and Gag-Pol. Its inhibition results in the formation of non-infectious virus particles. Currently 10 PR inhibitors are used in clinic. However, the emergence of resistance to these inhibitors leads to a therapeutic failure. Several mutated amino acid residues that are present in resistant isolates have been identified. One of such resistance mutations is the D30N, which confers primary resistance exclusively to nelfinavir, has been described in patients infected with subtype B. However, clinical and laboratory studies showed that virus of subtype C with the mutation D30N (CD30N) has low incidence in clinical and reduced adaptability in vitro. To try to understand these differences caused by mutation D30N in subtypes B and C, we studied the interaction of these PRs with the peptide KARVLAEAM (analogous to the natural substrate of cleavage between the protein the capsid (CA) and p2 of HIV-1) and with the inhibitor nelfinavir. We have also studied the PR CD30N with the compensatory mutations N83T or N88D, found in vitro and in vivo, respectively, which occur when the subtype C acquires the mutation D30N. This work aimed to study the molecular and atomic mechanisms of mutation D30N in the PR of subtypes B and C. The results showed that the inhibitor and backbone of models BD30N and CD30N/N83T possessed the greatest variation, with respect to the initial structure. Although the mutants CD30N and CD30N/N88T have not suffered similar variations, they showed, as well as the other two mutants, a reduction in the intensity of the h-bonds that occur between PR and inhibitor which are located near the catalytic and the flaps regions. Also, all mutants had reduced hydrophobic contacts between the receptor and the ligand. Some data indicated that the flap of one of the chains is highly immobile in a model CD30N suggesting the mutation D30N impairs the contact of flap with the substrate in subtype C. Also, the analysis of the PR structure interacting with the substrate, indicated that the CD30N mutant has one of its α-helix regions unstructured, which can be directly associated with substrate cleavage. Our work provides important insights in to the effect of D30N mutation in the PR structure of the subtype C, and on its interaction with the substrate and the inhibitor. These data confirm and explain, at least in part, the smaller incidence of the studied mutation in that genetic subtype of HIV-1. / O HIV pode ser dividido em HIV-1 e HIV-2. Aquele, por sua vez, pode ser divido nos grupos: M, N e O. O grupo M, que representa 90% das infecções, foi dividido em vários subtipos (A, B, C, D, F, G, H, J e K). Sabe-se hoje que o subtipo mais circulante no mundo (a maior parte na África) é o C, entretanto o mais estudado é o B (prevalente nos EUA e Europa). Diversas etapas do ciclo replicativo do HIV-1 têm sido identificadas como alvos para intervenção farmacológica. Um dos principais alvos é a enzima aspartil protease (PR); é ela que processa as poliproteínas virais Gag e Gag-Pol e sua inibição resulta na formação de partículas virais não infecciosas, sendo atualmente 10 inibidores utilizados em clínica. No entanto, o aparecimento de resistência a esses inibidores leva à falha terapêutica, tendo sido identificados e estudados vários resíduos que se apresentam mutados em isolados resistentes. Uma dessas mutações de resistência é a D30N, que consiste numa mutação primária de resistência exclusiva ao nelfinavir descrita em pacientes soropositivos infectados pelo subtipo B. Entretanto, observações clínicas e laboratoriais mostraram que vírus do subtipo C com a mutação D30N (CD30N) têm baixíssima ocorrência clínica e adaptabilidade reduzida in vitro. Para tentar entender as diferenças causadas pela mutação D30N nos subtipos B e C, foi estudada a interação da PR destes vírus com o peptídeo KARVLAEAM (análogo ao substrato natural de clivagem entre a proteína do capsídeo (CA) e a proteína p2 do HIV-1) e com o inibidor nelfinavir. Também foi estudada a PR CD30N com as mutações compensatórias N83T e N88D, encontradas in vitro e in vivo respectivamente, que se manifestam quando o subtipo C sofre a mutação D30N. Este trabalho teve como objetivo estudar os mecanismos moleculares e atômicos dos efeitos da mutação D30N na PR dos subtipos B e C. Os resultados mostram que o inibidor e o esqueleto peptídico dos modelos BD30N e CD30N/N83T sofreram as maiores variações, em relação à estrutura inicial. Embora os mutantes CD30N e CD30N/N88D não tenham sofrido variação semelhante, eles apresentaram, assim como os outros dois mutantes, uma redução na intensidade das ligações de hidrogênio que ocorrem entre a PR e o inibidor que estão localizadas próximas à região catalítica e aos flaps. Além disso, todos os mutantes apresentaram redução em seus contatos hidrofóbicos ocorridos na interação receptor/ligante. Alguns dados obtidos indicam que a alça de uma das cadeias é altamente imóvel no modelo CD30N sugerindo que a mutação D30N prejudica o contato do flap com o substrato no subtipo C. Além disso, a análise da estrutura das PRs, interagindo com o substrato, indicou que o mutante CD30N tem uma de suas regiões de α-hélice desestruturada, o que pode estar diretamente associado a não clivagem do substrato. O nosso trabalho provê importantes insights sobre o efeito da mutação D30N na estrutura da PR do subtipo C, bem como na sua interação com o substrato e com o inibidor. Tais dados corroboram e explicam, ao menos em parte, a menor ocorrência da mutação estudada naquele variante genético do HIV-1.

O objetivo deste trabalho é estudar a modelagem do escoamento de fluidos incompressíveis mediante o método de Lattice-Boltzmann (LBM). Nesta classe de métodos as equações baseadas na cinética mesoscópica nos permitem modelar o comportamento macro-contínuo da dinâmica de fluidos. Desta forma, realiza-se um estudo teórico do LBM incluindo a análise de diferentes distribuições de equilíbrio, modelos de lattice, suas relações com a equação de Boltzmann assim como sua aproximação assintótica às equações de Navier-Stokes. Por outro lado, estudam-se os aspectos relacionados à imposição de condições de contorno identificando procedimentos adequados para os problemas aqui tratados. Posteriormente, realiza-se um estudo detalhado de caráter numérico sobre o desempenho do LBM na simulação computacional de escoamentos de fluidos, envolvendo problemas estacionários e transientes, para casos em 2D e 3D. A partir do conhecimento das características do modelo, desenvolvem-se técnicas para efetuar a calibração dos parâmetros do LBM visando à obtenção de resultados coerentes e confiáveis de acordo às condições físicas do problema. Estas técnicas são empregadas com ênfase em problemas 3D dependentes do tempo, e cujas características são similares às encontradas na modelagem do escoamento sanguíneo em artérias.