A compreensão dos mecanismos de reconhecimento molecular receptor-ligante é um dos aspectos centrais na descoberta e planejamento de novos fármacos baseado em estrutura. Uma metodologia chave é o atracamento de pequenas moléculas em sítios de ligação de proteínas, o atracamento molecular (em inglês, "molecular docking"). Existem dois pontos chaves em qualquer programa de atracamento: a busca da "melhor" conformação ligante-proteína e o cálculo da energia livre desta associação, ou sua constante de afinidade. Foi construído neste trabalho um conjunto-teste formado por 50 complexos proteína-ligante, com valores de K i ou K d determinados experimentalmente, para a construção de uma função empírica específica para o programa DOCKTHOR, utilizando como variáveis de entrada valores de energias de interação eletrostática e de Lennard-Jones, área de contato ligante-receptor da superfície acessível ao solvente, presença de ligações hidrogênio, e o número de ligações torcionáveis do ligante. Estes variáveis foram utilizados para a construção de dois tipos de funções de cálculo de energia livre. Através de regressão múltipla, foi avaliada a importância de cada uma das variáveis utilizadas como dados de entrada na construção desta função. Utilizando uma rede neural, buscou-se construir o melhor modelo para o cálculo de constantes de afinidade. O programa DOCKTHOR atualmente tem poder de predição correspondente a r = viii 0,4245, o que mostra a importância de se melhorar sua função de avaliação. A função construída com a metodologia de regressão múltipla que obteve melhor resultado foi a que utilizou as 5 variáveis de entrada apresentando termos lineares, cruzados e quadráticos, com r igual a 0,7542. Funções empíricas construídas por redes neurais também foram avaliadas neste trabalho. Utilizando a metodologia de validação cruzada de grupo (VCG) chegou-se à conclusão que a melhor arquitetura para a rede neural é constituída por 9 neurônios na camada oculta, pois possui o menor erro de generalização e a maior homogeneidade nos erros. No teste com esta arquitetura de rede neural, com a função construída utilizando os 50 complexos proteína- ligante no treinamento e os mesmos, no teste, observamos que 66% dos complexos tiveram uma diferença menor que 1,0 dos valores observados em relação aos esperados. O erro de generalização, obtido por VCG, de uma rede neural utilizando 9 neurônios na camada oculta foi cerca de dez vezes menor ao obtido utilizando uma função polinomial. Isto é um indicativo da superioridade da metodologia de rede neural, com relação a metodologia de regressão multivariada, principalmente em uma função empírica desenvolvida para estimar afinidades relativas à uma ampla gama de complexos receptor-ligante. / The understanding of receptor-ligand molecular recognition is one of the central aspects in structure-based design and discovery of new drugs. The key methodology is the docking of small molecules in active sites of proteins. There are two aims in any program of molecular docking: the search for the best ligand-protein conformation and the calculation of the free energy of this association, or its affinity constant. The test set used in this work was composed by 50 protein- ligand complexes, with experimentally measured Ki or Kd values for the construction of an empirical function specific to the DOCKTHOR program, using as input variables: energy of electrostatic interaction and Lennard-Jones, contact area of ligand-receptor on the surface accessible to the solvent, the presence of hydrogen bridges, and the number of the ligand rotatable bonds that were frozen in the process of docking. These variables were used for the construction of two types of free energy scoring functions. The importance of each variable used as input data for the construction of those functions was rated by means of multiple regression. A neural network was x also used to try to build the best model for the calculation of the affinity constant. The DOCKTHOR program currently has a prediction power leading to r = 0.4245, which indicates the importance of improving its scoring. The function built with the multiple regression methodology used 5 input variables and had linear, quadratic, and cross-product terms leading to r = 0.7542. Using the methodology of group cross-validation (VCG), it was concluded that the best architecture for the neural network consists of 9 neurons in the hidden layer, as it has the smallest error of generalization and greater consistency in errors. In the tests with this neural network architecture built using the same 50 protein-ligand complexes in training and test, 66% of the complexes had a difference smaller than 1.0 in the observed values. The generalization error (obtained by VCG) of a neural network that uses 9 neurons in the hidden layer was about ten times lower than that obtained by using a polynomial function. This is an indication of the superiority of the neural network methodology with respect to the multivariate regression methodology, specially for an empirical function developed for a broad range of receptor-ligand complexes.

Com os rápidos avanços no seqüenciamento do genoma, a compreensão da estrutura de proteínas torna-se uma extensão crucial a esses progressos. Apesar dos significativos avanços tecnológicos recentes, a determinação experimental da estrutura terciária de proteínas ainda é muito lenta se comparada com a taxa de acúmulo de dados das seqüências de aminoácidos. Isto torna o enovelamento de proteínas um problema central para o desenvolvimento da biologia pós-genômica. Em nosso trabalho, fazemos uso de um método de otimização, o Generalized Simulated Annealing (GSA), baseado na termoestatística generalizada por Tsallis. Embora o GSA seja um procedimento geral, sua eficiência depende não apenas da escolha apropriada de parâmetros, mas também das características topológicas da hiper--superfície de energia da função custo. Com o mapeamento dos parâmetros necessários à aplicação do GSA, pode-se reduzir significativamente o número de escolhas, além de tornar possível uma análise do efeito dos parâmetros no comportamento do algoritmo. Como passo inicial, usamos estruturas conhecidas, com as quais os resultados obtidos com o GSA possam ser comparados, como é o caso das polialaninas. Além disso, aplicamos, o GSA a três peptídeos de proteínas ribossomais da família P, de considerável importância no estudo da doença de Chagas. Cada um possui 13 aminoácidos, diferindo em apenas uma mutação não conservativa no terceiro aminoácido. Como os peptídeos não possuem estrutura experimentalmente resolvida, analisamos os resultados obtidos com GSA seguidos por simulações de Dinâmica Molecular. A validade destes resultados é estudada, de forma que, no futuro, estruturas desconhecidas possam ser determinadas com certo grau de confiabilidade. / As the genome sequencing advances, the comprehension of protein structures becomes a crucial extension to these progresses. In spite of the numerous recent technological advances, experimental determination of protein terciary structures is still very slow compared to the accumulated data from amino acid sequences. That is what makes the protein folding a central problem to the development of the pots-genomic era. In this work we use an optimization method, the Generalized Simulated Annealing (GSA), which is based on Tsallis' generalized thermostatistics, to investigate the protein folding problem. Although GSA is a generic procedure, its efficiency depends not only on the appropriate choice of parameters, but also on topological characteristics of the energy hypersurface. By mapping all the GSA parameters, it can be possible to reduce the number of possible choices of them. That also allows an analysis of its effects on the algorithm behavior. As a initial step, we apply GSA to known structures, such as polyalanines. In sequence, we also apply GSA to three more peptides of ribosomal P proteins, which are of considerable importance on the comprehension of Chagas' heart disease. Each one contains 13 amino acids and differ only on the third residue by a non-conservative mutation. As these peptides do not have experimentally resolved structure, we analyze results obtained from GSA followed by Molecular Dynamics simulations. Validity of these results is studied such that, in the future, unknown structures can be determined by this technique with a higher degree of confidence.

Proteínas são macromoléculas biológicas formadas por polímeros de aminoácidos, as quais estão envolvidas em todos os processos vitais dos organismos, compreendendo um amplo leque de funções. A espectropia por Ressonância Magnética Nuclear (RMN) é, ao lado da difração de raios-X em cristais, uma das duas principais técnicas experimentais capazes de permitir a elucidação da estrutura de proteínas em resolução atômica. A predição de estruturas protéicas utilizando informações experimentais de RMN é um problema de otimização global com restrições. O GAPF é um programa que utiliza um Algoritmo Genético (AG) desenvolvido para predição ab initio -- isto é, para determinação da estrutura de uma proteína apenas a partir do conhecimento de sua seqüência de aminoácidos -- utilizando uma abordagem de múltiplos mínimos, baseada em uma função aptidão derivada de um campo de força molecular clássico. Neste trabalho, é descrito o GAPF-NMR, uma versão derivada do GAPF, que utiliza restrições experimentais de RMN para auxiliar na busca pelas melhores estruturas protéicas correspondentes a uma seqüência dada. Cinco versões diferentes do algoritmo foram desenvolvidas, com diferentes variações na maneira como a função de energia é calculada ao longo da execução. O programa desenvolvido foi aplicado a um conjunto-teste de 7 proteínas de estrutura já conhecida e, para todas elas, foi capaz de chegar a uma estrutura com o enovelamento correto ou aproximado. Foi observado que as versões do algoritmo que aumentam progressivamente a região da proteína usada no cálculo de energia tiveram desempenho superior às demais, e que a abordagem de múltiplos mínimos foi importante para a obtenção de bons resultados. Os resultados foram comparados aos descritos para o GENFOLD -- que é, até o momento, a única implementação alternativa conhecida de um AG para o problema de predição de estruturas a partir de dados de RMN -- e a versão atual do GAPF-NMR se mostrou superior ao GENFOLD na determinação de duas das três proteínas do conjunto-teste deste. / Proteins are biological macromolecules comprised of amino acid polymers that play a wide range of biological roles involved in every process of living organisms. Together with X-ray diffraction, Nuclear Resonance Spectroscopy (NMR) is one of the two main experimental techniques that are capable of delivering atomic-level resolution of protein structures. Prediction of proteic structures using experimental information from NMR experiments is a global optimization problem with restraints. GAPF is a computer program that uses a Genetic Algorithm (GA) developed for ab initio prediction -- the determination of the structure of a protein from its amino acid sequence only -- using a multiple minima approach and a fitness function derived from a classic molecular force field. The work presented here describes GAPF-NMR, an alternate version of GAPF that uses experimental restraints from NMR to support the search for the best protein structures that correspond to a given sequence. Five different versions of the algorithm have been developed, each with a variation on how the energy function is calculated during the course of the program run. GAPF was tested on a test set comprised of 7 proteins with known structure and it was capable of achieving a correct or approximate fold for every one of these proteins. It was noted that the versions of the algorithm that progressively increase the area of the protein used in the energy function have performed better than the other versions, and that the multiple minima approach was important to the achievement of good results. Results were compared to those obtained by GENFOLD -- to the moment, the only known alternate implementation of a GA to the problem of protein structure prediction using NMR data -- and the current version of GAPF was shown to be superior to GENFOLD for two of the three proteins that compose its test set.

Due, in part, to the nowadays considerable body of theoretical results for Markov Jump Linear Systems (MJLS), there has been recently an intense interplay between the classical switch systems and MJLS theory. Although the development of these theories came up independently, in a broad way MJLS can be seen as a class of switch systems with a stochastic switching mecanism. Motivated by the diversity of methods of these theories and its potentiality in the treatment of systems with requires tolerance to failure (the so-called safety-critical and highintegrity systems), it is our intention in this dissertation to make up a synthesis of the most relevant methods, setting against the two theories. In view of the huge amount of results of these theories, we focus here just on the stability problem. We begin presenting well known tools such as common Lyapunov functions and others which are related to involving classes of linear subsistems with certain particularities such as commutativity and solubility of Lie algebra. Rigth after, we present the concept of average dwell time, part Lyapunov functions and results about design of switch. Using the average dwell time at the linear systems with stable and unstable systems with the rules already demonstrated we claim some results about stability that applied at linear systems with markovian switch. / Devido em parte, ao considerável corpo de resultados teóricos para Sistemas Lineares com Saltos Markovianos (SLMS), tem havido recentemente uma intensa interação entre a teoria clássica de sistemas com chaveamento (switched systems) e a teoria de SLSM. Apesar do desenvolvimento dessas teorias terem acontecido essencialmente de maneira independentes, num sentido amplo SLMS pode ser visto como um sistema com chaveamento cujo mecanismo de chaveamento é estocástico. Motivados pela diversidade de métodos dessas teorias e sua enorme potencialidade no tratamento de sistemas que exigem comportamentos tolerantes a falhas (faz parte do que se denomina na literatura especializada como safety-critical and high integrity systems) é nossa intenção nesta dissertaçãoo fazer uma síntese dos métodos mais relevantes, contrapondo as duas teorias. Tendo em vista a enorme quantidade de resultados, focaremos apenas o problema de estabilidade. Começaremos o estudo com critérios já conhecidos como a construção de uma função comum de Lyapunov para os sistemas e outros que dizem respeito à estabilidade em classes de subsistemas lineares que possuem certas particularidades como comutatividade e solubilidade da álgebra de Lie gerada pela coleção de matrizes. Em seguida, apresentaremos os conceitos de tempo médio de habitação, funções de Lyapunov por partes e os resultados sobre design de switch. Através do estudo do tempo médio de habitação em sistemas lineares com matrizes estáveis e instáveis, juntamente com os critérios já estudados referentes às classes de subsistemas para as quais é possível a construção de uma função comum de Lyapunov, chegamos a alguns resultados para estabilidade, que aplicamos ao caso de chaveamento Markoviano.

Este trabalho apresenta a caracterização de limites no sentido fraco dos sistemas de filas em redes que podem enviar e receber sinais. Estes sinais podem ser usados, entre outras coisas, para que as filas se auto controlem. Mostra-se que, sob certas condições, o sistema pode ser aproximado por uma equação diferencial estocástica refletida. Os benefícios de tais aproximações são que elas descrevem a evolução transiente destes sistemas e possibilitam a introdução de controles. Em seguida, uma abordagem mais abrangente é apresentada através de redes de Petri estocásticas. Uma nova classe destas redes é introduzida como uma forma unificadora para tratar sistemas que podem ser descritos por quantidades discretas que sofrem trocas estocásticas ao longo do tempo. A classe é geral o suficiente para incluir as redes de Petri estocásticas, as redes de Jackson, e as redes de Gelenbe com sinais do tipo "cliente negativo" e do tipo "triggers". O objetivo principal é obter, de maneira unificada, uma aproximação por difusão que possa ser facilmente aplicável em um número grande de problemas práticos.

A computação quântica é um modelo computacional baseado nas leis da mecânica quântica, que pode ser utilizado para desenvolver algoritmos mais eficientes que seus correspondentes clássicos. O desenvolvimento de algoritmos quânticos eficientes, no entanto, é uma tarefa altamente desafiadora. Uma abordagem recente que vem se mostrando bem-sucedida é a utilização de caminhadas quânticas. Neste trabalho, estudamos a caminhada quântica no hipercubo, calculando analiticamente sua distribuição estacionária e analisando propriedades de seu mixing time, tanto na situação ideal como na situação com descoerência gerada por ligações interrompidas. Também estudamos a caminhada na malha bidimensional, calculando sua distribuição estacionária analiticamente e explorando a relação entre o mixing time e a complexidade do algoritmo de busca nesse grafo. Desenvolvemos uma ferramenta computacional para simulação numérica de caminhadas quânticas em malhas uni- e bidimensionais com diversas condições de contorno. Finalmente, estudamos alguns algoritmos de busca em grafos e analisamos numericamente o impacto que a descoerência exerce sobre seus desempenhos. / Quantum computing is a model of computation based on the laws of quantum mechanics, which can be used to develop faster algorithms. The development of efficient quantum algorithms, however, is a highly challenging task. A recent successful approach is the use of quantum walks. In this work, we have studied the quantum walk on the hypercube, obtaining the exact stationary distribution and analyzing properties of its mixing time both in the ideal and in the noisy set-ups, with noise generated by broken links. We have also studied the walk in a two-dimensional grid, where we have obtained its stationary distribution analytically and have explored the relation between mixing time and the complexity of the search algorithm for this graph. We have developed a computational tool for numerical simulation of quantum walks in one- and two-dimensional grids with several boundary conditions. Finally, we have studied some algorithms for search on graphs and have numerically analyzed the impact of decoherence over their performances.

Predation, classically described as the negative effect of the predator on the density of their prey, will be examined for their effects on the behavior of prey,in the form of antipredator responses. Antipredator responses may arise on the morphology, physiology and/or the behavior of prey, by predation or by the mere presence of the predator, in this case called non-lethal predator. In this context we mainly examine the effect of predators on foraging and change of habitat of their prey, as a antipredator response. Through the diversity of models surveyed, we exam the dynamics as often they are analised, through indirect effects mediated by density, and exam the same dynamic added of the trait-mediated indirect effects,through behavioral modeling techniques. / A predação, classicamente descrita como sendo o efeito negativo do predador sobre a densidade de suas presas, será aqui analisada a respeito de seus efeitos sobre o comportamental da presa, na forma de resposta antipredatória. Respostas antipredatórias podem surgir sobre a morfologia, a fisiologia e/ou o comportamental da presa, pela predação ou pela mera presença do predador,nesse caso denominado de predador não letal. Nesse contexto examinamos principalmente o efeito do predador sobre o forrageamento e a mudança de habitat de suas presas, como forma de resposta antipredatória. Por meio dos diversos modelos pesquisados, buscamos avaliar as dinâmicas da forma usualmente analisada, através dos efeitos indiretos mediados pela densidade, e analisar essa mesma dinâmica adicionada dos efeitos indiretos mediados por traço, através da modelagem comportamental.

A food web comprises exchanges of matter and energy that occur among species and between biotic and abiotic environment. Given that abiotic components form the basal resources, the approach of this work consists of evaluating the effects of nutrients input in strategic models that describe food web and chain dynamics. Its focus lies on the determination of the nature of equilibrium populations as well as on their dynamics for different functional responses. Strategic models that describe the behavior of interactive populations under nutrient inputs are an important basis for outlining general phenomena that occur in community dynamics. / Uma rede trófica reúne as trocas de matéria e energia que ocorrem entre as espécies e entre o meio biótico e abiótico. Visto que os componentes abióticos formam a fonte de recursos basais, a abordagem deste trabalho consiste na avaliação dos efeitos da entrada de nutrientes alóctones em modelos estratégicos que descrevem a dinâmica de redes e cadeias tróficas, concentrando-se na determinação das características das populações de equilíbrio e das dinâmicas das espécies com diferentes respostas funcionais. Modelos estratégicos que contêm informações acerca do comportamento de populações interativas frente à entrada de nutrientes são uma base importante no delineamento de fenômenos gerais que podem ocorrer dentro da dinâmica de comunidades.

Simbiose é a associação permanente entre dois ou mais organismos de espécies distintas, pelo menos durante uma parte do ciclo de vida. Existe uma grande diversidade de casos de simbiose, os quais são frequentemente classificados de acordo com os benefícios ou deficits no valor adaptativo do hospedeiro, i.e., mutualismo, comensalismo ou parasitismo. Outras características importantes são a localização, a dependência e o modo de transmissão dos simbiontes. O conjunto de organismos selecionado para este trabalho consiste de 58 bactérias que foram agrupadas segundo características das associações simbióticas que elas estabelecem. A análise comparativa das redes metabólicas foi realizada de forma sistêmica, analisando toda a rede sem fazer a partição em vias metabólicas selecionadas a priori. Duas maneiras de comparação foram utilizadas: (i) análise dos conjuntos de compostos e de reações, e (ii) análise da topologia das redes metabólicas modeladas como grafos de compostos. Como fruto dessas análises foi possível observar o contraste entre a conservação de um núcleo metabólico nas bactérias extracelulares, de vida livre e associadas à célula, e a ausência de partes comuns da rede metabólica nas intracelulares estritas. Nota-se que o grupo das mutualistas (MIV) foi o que especialmente contribuiu para os valores baixos de interseção para os conjuntos de compostos e de reações. Esses endocitobiontes apresentam uma proporção maior dos seus genomas dedicada ao metabolismo. Além disso, partes distintas do metabolismo foram conservadas em diferentes subconjuntos dessas bactérias intracelulares mutualistas. / Symbiosis is the permanent association between two or more organisms that are distinct, at least during a part of the life cycle. Cases of symbiosis are widely diverse and are often classified based on the benefits or the deficits on the host fitness, e.g., mutualism, commensalism or parasitism. Location, type of dependency and transmission of the symbionts are also important features. The data set is composed of 58 bacteria which were grouped according to the features of the symbiotic associations established by them. The metabolic network comparison was carried out in a systematic way, taking into account the whole network without previously selecting metabolic pathways. The comparison was performed by analysing: (i) the sets of compounds and reactions, and (ii) the topology of the metabolic networks modelled as compound graphs. A conserved metabolic core inside the groups of extracellular, free-living and cell-associated bacteria was observed, contrasting with the absence of common parts in the metabolic networks of the obligate intracellular bacteria. The group of mutualists (MIV) specially contributed to the low values of the intersections of sets of compounds and reactions. The portion of the genome dedicated to metabolism is higher in these endocytobionts and distinct parts of the metabolism were conserved in different subsets of the intracellular mutualist bacteria.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:06:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissFMJ.pdf: 1163191 bytes, checksum: 900d954f8267f544d7d9158ed386d75c (MD5) Previous issue date: 2004-08-23 / With the progress of the technology in data transmission area and the fact of computers be present more and more in several equipments, like PDAs (Personal Digital Systems), mobile telephones, cars, refrigerators, etc, it becomes necessary to establish a standart communication protocol among these several computers. The work presented in this monograph has as objective to define a necessary infrastructure to implementations of videos transmission services for mobile devices (PDAs and mobile telephones) with transparent change of location context. This context change represents the change of physical atmosphere of the proposed system user. The idea is that the user continues to watch a video (in a mobile device) when he leaves the place where he was watching it. A framework was modeled and implemented to detect change of physical atmosphere destined to videos transmission services directed to mobile devices. High degree of mobility and transparency is characteristic of Ubiquitous Computation (Computation new moment - Weiser). For a theoretical basement was carried through a research on the concepts related with Ubiquitous Computation, mobile devices and video transmissions. This work was developed in the Network and Distributed Systems Laboratory of São Carlos Federal University - UFSCar. / Com o avanço da tecnologia na área de transmissão de dados e o fato dos computadores estarem presentes cada vez mais em diversos equipamentos, como PDAs (personal digital systems), celulares, carros, geladeiras, etc, se vê necessário estabelecer um protocolo comum de comunicação entre estes diversos computadores. O trabalho apresentado nessa dissertação tem como objetivo definir uma infra-estrutura necessária à implementação de serviços de transmissão de vídeos para aparelhos móveis (PDAs e celulares) com transparência na mudança de contexto de localização. Essa mudança de contexto representa a troca de ambiente físico por parte de um usuário do sistema. A idéia é que o usuário continue a assistir a um vídeo (em um dispositivo móvel) quando sair do local onde o estava assistindo. Para isso, foi modelado e implementado um framework perceptivo à mudança contextual localista destinado a serviços transmissores de vídeos para dispositivos móveis. Alto grau de mobilidade e transparência é característica de computação ubíqua ( Nova era da computação [12]). Para um maior embasamento teórico foi realizado uma pesquisa sobre os conceitos relacionados com computação ubíqua, transmissões de vídeos e dispositivos móveis. Este trabalho foi desenvolvido no laboratório de Sistemas Distribuídos e Redes (GSDR) da Universidade Federal de São Carlos UFSCar.