Resúmenes de los pósters - Instituto de cálculo

Transcripción

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Workshop Internacional Programa RAICES
Red de Científicos Argentinos en el Noreste de EEUU
“La matemática como herramienta para entender la biología /
La biológica como fuente de problemas matemáticos”
Instituto de Cálculo – FCEyN - UBA
Buenos Aires, 23 y 24 Abril 2015
Resúmenes de los pósters:
1
Title: Axonal transport properties of diverse cargoes revealed by informatic
analysis of high resolution movies
Authors: Matías Alloatti, Valentina Lacovich, Gabriela Otero, Sonia Espíndola,
Victorio Pozo Devoto, Elena Avale, Luciana Bruno, Tomás Falzone
Abstract:
The movement of particles along polarized neurons involves many players:
microtubule tracks that are stabilized by associated proteins, molecular motors
directing the movement along these tracks, and cargoes transported, associated
directly or indirectly with motors. The extreme length of axons in neurons requires
a complex axonal transport system that ensures neuronal survival through the
proper distribution of cargoes to distant regions of the cell. Due to the many players
involved in this complex system, is hard to obtain clean interpretation of results
obtained from axonal transport experiments. To perform deep analysis of the
movement properties of cargoes from different origins, we generated movies from
axons and processed them with informatic scripts. We analyze two very different
cargoes: a fast moving vesicle (APP tagged vesicles) and a cytosolic moving
protein complex (the proteasome). We developed informatic tools to track
individual particles and determined the axonal transport properties of both cargoes.
We revealed that proteasomes move with at least three different motion regimes
and characterized diffusion properties, confined movements and motor-dependent
transport for this complex. In addition, we characterized the axonal transport
abnormalities of APP vesicles when microtubule tracks are impaired by the
exchange of the expression of the isoforms of a microtubule associated protein
(tau). Taken together, our results show a useful informatic processing approach to
analyze and comprehend the contribution of different players in the movement
properties behind axonal transport.
A circular model for song motor control in Serinus canaria
2
R. G. Alonso, M.A. Trevisan, A. Amador, F. Goller y G.B. Mindlin
We built a model for birdsong production, whose variables are the average activities
of different neural populations of the song system. This is organized as a set of
neural nuclei distributed in several brain regions. Part of it is involved in the
generation of the required expiratory activity during song production, which
determines important song features and can be easily measured, providing a
validation mechanism for the model. We test the hypothesis that it is possible to
construct a model in which 1. The activity of an expiratory related (ER) neural
population fits the observed pressure patterns used by canaries during singing, and
2. A higher forebrain neural population, HVC, is sparsely active, simultaneously with
significant motor instances of the pressure patterns. We show that in order to
achieve these two requirements, the ER neural population needs to receive two
inputs: a direct one, and its copy after being processed by other areas of the song
system. The model is capable of reproducing the measured respiratory patterns
and makes specific predictions on the timing of HVC activity during their
production. This suggests that vocal production is controlled by a circular network
rather than by a simple a top-down architecture
3
Condiciones suficientes para la existencia de solución periódica positiva
para un sistema tipo Nicholson con términos no lineales de recolección.
† Pablo Amster ‡ Alberto F. Déboli
Workshop Interdisciplinario de Matemática, Biologı́a y Computación.
23 y 24 de abril de 2015. Instituto de Cálculo. FCEyN. UBA. Argentina.
† Consejo Nacional de Investigaciones Cientı́ficas y Técnicas (CONICET), Argentina. [email protected]
† ‡ Departamento de Matemática, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales,
Universidad de Buenos Aires. Ciudad Universitaria, Pabellón I, 1428 Buenos
Aires, Argentina. [email protected]
En este trabajo se considera un sistema de ecuaciones con retardos, que
representa la dinámica del crecimiento poblacional de dos especies bajo condiciones de mutualismo o simbiosis con términos no lineales de recolección;
más precisamente, usando teorı́a del grado topológico de Leray Schauder
([1][3]), se prueba que bajo condiciones apropiadas, referidas al balance del
crecimiento poblacional de ambas especies, existe al menos una solución
periódica positiva del siguiente sistema de tipo Nicholson [2]
8 0
⌧1 (t))) H1 (t, x1 (t))
< x1 (t) =
1 (t)x1 (t) + 1 (t)x2 (t) + p1 (t)f (x1 (t
:
x02 (t) =
2 (t)x2 (t)
+
2 (t)x1 (t)
+ p2 (t)f (x2 (t
⌧2 (t)))
donde i , i , pi , ⌧i 2 C(R, R+ ) son T -periódicas, f (x) = xe
R+ , R+ ) son T -periódicas en la variable t para i = 1, 2.
H2 (t, x2 (t))
x
y Hi 2 C(R ⇥
Referencias
[1] Amster P., Idels L. Periodic solutions in general scalar non-autonomous
models with delays. Nonlinear Di↵erential Equations and Applications
20 (2013), 1577-1596.
[2] Berezansky L., Idels L., L. Troib. Global dynamics of Nicholson-type
delay sistema whit applications. Nonlinear Anal. Real Word Appl. 12
(2011) 436-445.
[3] Déboli A.F. Métodos topológicos para algunas ecuaciones diferenciales funcionales resonantes no lineales. Tesis presentada para optar al ttulo de Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el rea
Ciencias Matemticas. UBA. FCEyN. Departamento de Matemática.
http://cms.dm.uba.ar/Members/adeboli
1
4
MODELACIÓN MATEMÁTICA DEL IMPACTO DE UN CONTAMINANTE
EN UN ECOSISTEMA ACUÁTICO
JOSUÉ DIÁZ AVALOS
Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Instituto del Mar del Perú
El principal objetivo de este estudio es investigar el efecto de un tóxico en una
población de peces. Investigamos la formulación de un modelo recurso - consumidor
en ecuaciones diferenciales ordinaras del cual, usando teoría de perturbaciones
singulares, deducimos una ecuación diferencial para el crecimiento de la población. El
crecimiento puede estar afectado por el contaminante que se encuentra en el entorno
donde habita la población. El impacto puede darse en la tasa de crecimiento o en la
tasa de muerte. Por ejemplo, el mercurio tiene la capacidad de acumularse en
organismos y ascender por la cadena alimenticia. Si un contaminante ingresa en un
entorno acuático, los peces que habitan allí acumularan el contaminante en su
organismo. La concentración del tóxico por unidad de biomasa se conoce como body
burden. Presentamos un modelo considerando una sola especie que se ve afectada, en
su crecimiento, por el contaminante que ingresa en su entorno. Mostramos algunas
estimaciones, estudiamos la dinámica y el caso en que el contaminante afecte también
la tasa de muerte. Proponemos un modelo matemático en ecuaciones diferenciales
considerando el impacto de un contaminante en el crecimiento de dos especies. La
primera propuesta es que estas especies estan en competencia. La segunda propuesta
es de una relación depredador - presa. Relizamos un análisis cualitativo de los
modelos. Utilizamos la ecuación diferencial obtenida del modelo recurso consumidor.
Referencias
[1] Horst R. Thieme. Mathematics in Population Biology. Princeton Univer- sity
Press, 2003.
[2] Jr. Robert E. O'Malley. Introducction to Singular Perturbation. Academic Press
Inc., 1974.
[3] Qihua Huang et al.. A model for the impact of contaminants on _sh population
dyamics. Journal of Theoretical Biology, 2013.
Análisis del espaci cnfrmacinal de prteínas a partir de alineamients de s
dinámica vibracinal
5
BALATTI, Galo1. FERNANDEZ-ALBERTI, Sebastián2.
1. Universidad Nacional de Quilmes/CIC
2. Universidad Nacional de Quilmes/CONICET
La comparación de la dinámica de confórmeros de proteínas permite revelar aspectos de
la funcionalidad no detectados mediante alineamientos secuenciales y estructurales. Bajo
esta premisa, confórmeros con similitudes en sus dinámicas de equilibrio pueden ser
alineados mediante la identificación de regiones que presenten movimientos concertados
comunes.
Estos movimientos pueden ser calculados a partir de las estructuras cristalográficas
utilizando la descomposición de las vibraciones en modos normales mediante modelos de
grano grueso. Teniendo en cuenta que la conservación evolutiva de los modos normales
de una proteína varía linealmente de acuerdo a su colectividad, es esperable encontrar
movimientos de gran amplitud coincidentes en los distintos confórmeros. Así, la dinámica
de proteínas permite establecer un puente entre estructura y función y aportar información
en cuanto a los factores que modulan la divergencia secuencial.
En el presente trabajo hemos desarrollado e implementado un algoritmo de alineamiento
global que utiliza la información de las dinámicas de proteínas y lo hemos aplicado a la
comparación de confórmeros con y sin ligando. El objetivo es identificar regiones de la
proteína que participan en el reconocimiento al ligando, y explorar que diferencias
dinámicas influyen sobre la afinidad de una proteína por su ligando. De este modo,
alineamientos basados en la dinámica de proteínas representan una contribución
novedosa a la exploración de la relación evolutiva entre secuencia-estructura-función.
6
Teoría de la información para caracterizar ritmos neuronales
Román Baravalle, Lisandro Montangie, Fernando Montani
IFLYSIB, CONICET - Universidad Nacional de La Plata, Argentina
La hipótesis central de la neurociencia teórica es que el cerebro computa, esto
quiere decir que el cerebro es un sistema dinámico cuyas variables de estado codifican
información sobre el mundo exterior. Utilizamos un modelo computacional simple que
permite reproducir diversas características fundamentales neuro-computacionales de las
neuronas. Luego, en base a la cuantificación de las estructuras ordinales presentes en la
señal del potencial de membrana y su influencia local asociada a su distribución de
probabilidad, se estima la causalidad de la misma a través de un algoritmo de fácil
aplicación y computación. De esta manera, nuestro enfoque permite cuantificar las
propiedades dinámicas de los veinte tipos de ritmos más característicos de una neurona
en planos informativos.
NEUROGÉNESIS ESTOCÁSTICA DURANTE EL DESARROLLO DE LA
RETINA
A.Barton, A.J.Fendrik (Universidad de Nacional
CIC-CONICET)
de Gral.Sarmiento-ICI,
La retina de los vertebrados es una estructura del sistema nervioso central
accesible al estudio de la diferenciación celular. Está formada por siete tipos
celulares principales (6 neurales y uno glial), originados a partir de células
progenitoras retinales (RPCs) pluripotentes en dos fases de diferenciación
con algún solapamiento entre sus momentos de producción. Según el
“modelo de competencia”, las RPCs experimentan una sucesión fija de
estados de competencia, en cada uno de los cuales son competentes para
originar un subconjunto de tipos celulares distinto al precedente. Análisis
estadísticos de estos resultados revelan un patrón estocástico. Una
pregunta que surge de estos análisis es cómo estos procesos estocásticos
originan una retina adulta con proporciones características de sus tipos
celulares.
En este trabajo, hacemos una modificación de un modelo estocástico de la
neurogénesis cortical (Barton et al -2014-), que asume que la diferenciación
está regulada por la concentración de un factor clave (x) heredado
asimétricamente en forma estocástica durante la mitosis. Asumiendo que en
la retina, la diferenciación se produce a partir de un valor umbral de x y que
éste evoluciona linealmente con el número de ciclo celular, el modelo
reproduce las dos fases de diferenciación mencionados. Por otra parte, la
evolución en los estados de competencia es introducida definiendo a cada
uno de ellos como ventanas sucesivas en los valores de x. Con estas
consideraciones, el modelo reproduce satisfactoriamente las siete
densidades de producción correspondientes a los siete tipos celulares
observados experimentalmente.
De acuerdo a estos resultados, la retinogénesis de los mamíferos puede ser
interpretada como un proceso controlado por un factor clave que se hereda
estocásticamente en forma asimétrica durante la mitosis, cuyos valores de
concentración establecen los umbrales de diferenciación que determinan la
sucesión de los estados de competencia de los RPCs a los distintos tipos
celulares de la retina.
7
8
Múltiples resonancias lineales a nivel subumbral generadas
por efectos de retardo en un modelo neuronal
Andrea L. Bela , Walter A. Reartesa y Horacio G. Rotsteinb .
a
Departamento de Matemática, Universidad Nacional del Sur, Bahı́a Blanca, Buenos
Aires, Argentina, [email protected], [email protected]
b
Department of Mathematical Sciences, New Jersey Institute of Technology, Newark, NJ
07102, USA, [email protected]
Resumen
En este trabajo estudiamos un modelo linealizado del tipo HodgkinHuxley en el que hemos agregado un retardo asociado a la variable de
apertura de canales de corrientes iónicas. Se analiza la respuesta del
modelo a corrientes oscilatorias determinando la existencia y propiedades de resonancias de amplitud y de fase a nivel subumbral.
La interacción entre el retardo tdel y la escala de tiempo lenta, definida por ⌧1 , asociada a la variable de apertura de canal genera la
aparición de múltiples resonancias de amplitud y de fase. Se describe
esta interacción en el espacio tdel –⌧1 , hallando regiones en las que se
observa distinta cantidad de resonancias. Este análisis sencillo permite
entender y predecir comportamientos del modelo que pueden ser testeados en forma experimental. Los resultados a nivel lineal generan
hipótesis para los modelos no-lineales originales.
9
QTL Detection for Fat Yield on BTA14 Using Linkage Disequilibrium Based Methods
M. J. Beribe1, H. A. Carignano1, N. Villalobos2, M. A. Poli1and D. L. Roldán1
Instituto de Genética CICVyA-INTA Castelar, Buenos Aires, Argentine, 2Massey University, Palmerston
North, New Zealand.
1
ABSTRACT: In this study five models were used to identify quantitative trait loci (QTL) for fat yield in
the bovine chromosome 14 (BTA14): (1) a linear mixed model that includes covariance among all
individuals, (2) the same linear mixed model with a probability that one individual belongs to one
previously detected subpopulation as covariable, (3) the same mixed model association using the approach
of principal component analysis, (4) a regression model (LD decay), and (5) a regression linkage
disequilibrium linkage analysis (LDLA). The mapping population consisted of 23 paternal half-sib families
with 870 offsprings (77% Holstein purebreeds and 23% Jersey x Holstein crossbreds). All models detected
a chromosomal region falling within the region that encompasses the postulated DGAT1 gene. In addition,
both LD decay and LDLA identify two additional regions (25 Mbp and 80 Mbp) that could be associated to
fat yield.
Keywords:
dairy cattle
fat yield
linkage disequilibrium
QTL
10
Título: Estudio de Predictibilidad en Textos Naturales: Experimentos comportamentales masivos y
de movimientos oculares.
Autores: B. Bianchi, F. Carrillo, D. Fernández Slezak, D. Shalom, J. Kamienkowsky
Resumen: Al leer un texto, nuestros ojos realizan fijaciones sobre las palabras que son
interrumpidas por movimientos sacádicos. Estas fijaciones y sacadas son utilizadas de una manera
particular para poder extraer la mayor cantidad de información posible en poco tiempo. El estudio
de los patrones generados por sujetos durante de lectura de oraciones, párrafos o textos largos ha
sido de gran utilidad para comprender algunos de los procesos subyacentes a la lectura. En el
presente trabajo se analizaron los movimientos oculares de sujetos durante la lectura de 8 textos
naturales (textos que no fueron construidos específicamente para este trabajo). Cada sujeto leyó
entre 2 y 3 textos, completando un total de 110 lecturas.
A su vez, mediante una plataforma on-line se implementó un experimento para estimar la
predictibilidad de las palabras de los textos previamente nombrados. La predictibilidad es una
propiedad de las palabras que refleja cuán predecible es su presencia en el contexto en que se
encuentran. La forma de estimarla es mediante lo que se conoce como cloze-task, que consiste en
preguntarle a un grupo de personas qué palabra creen que sigue a continuación de un fragmento de
texto. Con la participación de 756 usuarios fue posible lograr una estimación de una gran cantidad
de las palabras de cada uno de los textos.
Finalmente estos datos fueron utilizados para el análisis estadístico de la covarianza de la
duración de las fijaciones en función de un conjunto de propiedades de cada una de las palabras
mediante la implementación de Modelos Lineales Mixtos. De esta forma fue posible encontrar que
la predictibilidad medida mediante el cloze-task (predictibilidad humana) covaría negativamente
con la duración de las fijaciones (palabras más predecibles son fijadas durante menos tiempo).
Por un lado, ya que la estimación de la predictibilidad es muy costosa, sería conveniente
para futuros estudios donde se necesiten introducir nuevos textos, poder estimarla
computacionalmente. Pero además, encontrar substitutos computacionales de la predictibilidad
genera intuiciones fuertes sobre cuales son los mecanismos o las claves que utiliza el cerebro para
estimarla. En este sentido comenzamos a trabajar con dos algoritmos: Latent Semántic Analysis
(LSA) y Word2Vec. Ambos algoritmos intentan encontrar relaciones semánticas entre palabras en
base a entrenamientos realizados con grandes corpus de texto. Se utilizaron diferentes corpus de
entrenamiento y diferentes intervalos de palabras para definir el cotexto. En todos los casos, tenían
una alta correlación con la frecuencia de las palabras a predecir y en menor medida con la
predictibilidad humana. Sin embargo, estos resultados abren una puerta a seguir explorando nuevas
posibilidades.
11
Experimental validation of a minimal model for birdsong production
Santiago Boari, Yonatan Sanz Perl, Ana Amador and Gabriel B. Mindlin
Laboratorio de Sistemas Dinámicos, DF, FCEyN, UBA.
Songbirds are known as an animal model for studying sensorimotor vocal learning and control
of a complex behavior such as singing. The song is generated from neural instructions that
command the respiratory system and the syrinx (vocal organ of birds), with striking similarities
to what is observed in humans. The interaction between the peripheral system and the nervous
system is not trivial as the syrinx is a highly nonlinear device. In neuroscience there is extensive
research in songbirds, since it is a rich example to study how neural architectures are
reconfigured during learning of complex behavior, and what are the mechanisms involved in the
maintenance of motor patterns that generate adult singing.
In this work we use a synthetic song that has been achieved by modelling the functioning
principles of the biomechanical periphery. This model treats the syrinx as a nonlinear oscillator
whose parameters can be related to physiological variables that the bird can control.
To assess the similarity of the synthetic songs (SYN) produced by the model to the bird's own
song (BOS), an innovative strategy using a highly accurate biological measure is available:
there are neurons in a songbird's brain telencephalic nucleus HVC that respond selectively to
the auditory presentation of the BOS, i.e., neural responses to BOS are much stronger than
responses to any other sound, including tones, white noise, conspecific songs or modified BOS.
Moreover, experimental evidence gathered in a recent study (Amador et. al, 2013) shows that
the low-dimensional model of the syrinx presents biological relevance, by comparing firing
properties in the evoked response of HVC neurons to BOS and SYN renditions.
In this work we develop a computational program capable of generating a synthetic song from a
recorded song. Remarkably, the only input needed by the program is the recorded sound
signal, introducing in this way a powerful tool to study motor control.
In order to experimentally validate the automated synthetic song, our research program uses
the selectivity phenomenon described above. For this purpose we synthesize zebra finch
(Taeniopygia Guttata) song using the fully automatic program and then measure the evoked
neuronal response to several auditory stimuli: Bird's own Song (BOS), Synthetic Song (SYN),
Reverse song (REV) and Conspecific song (CON). The experimental evidence gathered by this
protocol will serve as a basis to assess the state of validation of the low-dimensional model of
the songbird's vocal organ.
12
LA CONTROVERSIA DEL SULFURO:
DESDE LA FISICA CLASICA A LA QUIMICA BIOINORGANICA
Fernando Boubeta1, Sara E. Bari1, Leonardo Boechi2, Darío A Estrin1
1
Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física, Universidad de Buenos Aires,
Argentina
2
Instituto de Cálculo, Universidad de Buenos Aires, Argentina
Además de la cadena convencional de aminoácidos de toda proteína, las hemoproteínas poseen una
molécula adicional que le confiere propiedades bioquímicas notables: el grupo hemo. Este grupo es una
molécula orgánica que tiene un centro metálico que puede interaccionar con otras moléculas (ligandos)
que estén cerca y así realizar diversas funciones como transportar oxígeno, reaccionar frente a diversas
molécules, etc. Como el grupo hemo está localizado dentro de una cavidad de la proteína, los ligandos
deben migrar desde el solvente hasta el sitio activo, a través de canales internos de la proteína para
finalmente unirse al centro metálico. Lo harán más o menos rápido dependiendo de distintos factores
que modulan la migración y la posterior unión.
Desde los años 80 en adelante, se encontró que el H 2S (sulfuro de hidrógeno) estaría involucrado en
diversas respuestas celulares, para las cuales la mayoría requieren de la interaccion de la especie de
sulfuro con hemoproteinas. Desde un punto de vista químico, el H 2S tiene la posibilidad de
desprotonarse para dar las especies HS- y S2-. Qué especie de sulfuro (H2S/ HS-/ S2-) es la que migra y
cuál es la que se coordina al centro metálico en las hemoproteínas permanece siendo un enorme debate
en la comunidad científica.
Para aportar información a este problema se utilizaron métodos computacionales basados en el método
de dinámica molecular derivados de la física clásica, estos métodos permiten obtener trayectorias para
las coordenadas de los átomos integrando las ecuaciones de movimiento newtonianas.
Los resultados muestran una preferencia de la especie H2S sobre HS- para la migración hasta el sitio
activo, así como una preferencia de la especie HS - sobre H2S para permanecer coordinarda al grupo
hemo. Es decir que la especie que migra sería diferente que la especie que se coordina. Moléculas de
agua que inundan la cavidad del hemo cuando el ligando está presente explicaría la veloz
deprotonación de la especie coordinada.
En resumen, el presente trabajo muestra y destaca la posibilidad de utilizar modelos de la física clásica
para responder preguntas dentro de la quimica bioinorgánica. En particular, para empezar a resolver la
controversia actual de las especies de sulfuro en hemoproteínas.
A quantitative model for oxygen uptake and release in hemeproteins
13
Juan P. Bustamante1, MaríaE. Szretter2,3, Mariela Sued2, Marcelo A. Martí4, Darío A. Estrín1
and Leonardo Boechi2
1
Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física, FCEyN-UBA
2
Instituto de Cálculo, FCEyN-UBA
3
Departamento de Matemática, FCEyN-UBA
4
Departamento de Química Biológica, FCEyN-UBA
Small ligand affinity is determined by the ratio between the association (kon) and dissociation
(koff) rate constants, which characterize the corresponding processes. Both kinetic rate
constants measurements are among the most useful methods to address the moieties
controlling ligand entry and exit in proteins1–3. We present a physical-chemical model, which
uses data obtained exclusively from single-molecule computer simulations, i.e. atomistic
descriptions of the evolution of a protein structure over time immersed in an aqueous solvent,
to describe the uptake and release of oxygen in hemeproteins. Through a rigorous statistical
analysis we demonstrate that this model successfully recaptures all the reported association
and dissociation rate constants. We are thus able to identify the key factors that regulate the
oxygen uptake and release in these proteins. We also propose different approaches to
quantitatively estimate the kinetic rate constants for the rest of the unknown hemeproteins
structures.
References:
1.
Goldbeck, R. a et al. Water and Ligand Entry in Myoglobin: Assessing the Speed and Extent of
Heme Pocket Hydration After CO Photodissociation. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 103, 1254–
1259 (2006).
2.
Olson, J. & Phillips, G. Myoglobin discriminates between O2, NO, and CO by electrostatic
interactions with the bound ligand. J. Biol. Inorg. Chem. 2, 544–552 (1997).
3.
Ouellet, Y., Milani, M., Couture, M., Bolognesi, M. & Guertin, M. Ligand interactions in the distal
heme pocket of Mycobacterium tuberculosis truncated hemoglobin N: roles of TyrB10 and GlnE11
residues. Biochemistry 45, 8770–81 (2006).
14
Título: Reconstrucción del ciclo de vida de Trypanosoma cruzi
Autores: Alejandra Carrea y Luis Diambra
Resumen:
Una de las cuestiones clave de la biología de sistemas consiste en desarrollar marcos teóricos para comprender
y esclarecer los circuitos involucrados en la dinámica de diversos procesos celulares como la diferenciación
celular. Recientemente se lograron avances con respecto a la reprogramación de fenotipos celulares. Por
consiguiente, se puso mucho esfuerzo para desarrollar procedimientos de ingeniería reversa que identifiquen
circuitos de redes regulatorias génicas (GRN) capaces de emular las propiedades dinámicas asociadas con los
destinos celulares de un determinado sistema biológico. Es sabido que los procesos celulares son controlados
por la actividad orquestada de miles de genes y sus productos. Hoy en día, esta actividad puede ser
monitoreada mediante la cuantificación de transcriptos de ARNm por técnicas de microarrays o secuenciación
masiva que ofrecen una visión general y completa de la expresión génica de un determinado estado celular. En
este trabajo proponemos una estrategia computacional para reconstruir las GRN responsables de las
propiedades dinámicas observadas en un sistema biológico complejo. El sistema en estudio es el parásito
Trypanosoma cruzi (T. cruzi) y las propiedades dinámicas corresponden a los 4 estados estacionarios, asociados
con los fenotipos estables, y a las transiciones fenotípicas que ocurren durante el ciclo de vida de T. cruzi.
Nuestra estrategia se basa en un ensamble de conjuntos de entrenamiento que se construye agregando ruido a
los niveles de expresión génica de los estados estacionarios y a las transiciones existentes entre estos 4 estados
estacionarios. Como resultado pudimos reconstruir una red regulatoria de 339 nodos cuya evolución temporal
emula el perfil transcripcional del parásito. Nuestro trabajo sugiere que una pequeña sub-red formada por 7
nodos interconectados sería capaz de explicar la dinámica del ciclo de vida de T. cruzi. Este tipo de modelos de
redes aporta conocimientos sobre las vías de señalización, predice la respuesta de sistemas celulares a
perturbaciones múltiples —más allá de aquellas a partir de las que deriva el sistema—, y permitiría diseñar
perturbaciones para refinar el conocimiento que se tiene sobre la arquitectura de la GRN. En el caso particular
de T. cruzi, todo esto podría ser de gran utilidad para identificar nuevos blancos terapéuticos a ser usados en la
prevención o el tratamiento de la enfermedad de Chagas.
15
Global saccadic plasticity induced by a periodic disturbance of visual
feedback
Carlos Cassanello1,2,*, Sven Ohl1,2, Martin Rolfs1,2
1
Bernstein Center for Computational Neuroscience Berlin, Germany
2
Department of Psychology, Humboldt Universit t zu Berlin, Germany
Saccadic adaptation restores the correct targeting of visual objects when saccades miss
their goals systematically. We assessed changes in the gain of direction-specific and
global saccade amplitudes (Rolfs et al., Vision Res., 2010) for continuously varying
post-saccadic visual feedback using a Bayesian approach for parameter estimation.
Observers made saccades following a sequence of 600 target steps with fixed
amplitude of 8 degrees along the horizontal meridian or with unconstrained saccade
directions. During each saccade, an intra-saccadic shift (ISS)
sinusoidal variation as a function of the trial number
following a continuous
shifted the target along its vector
between -25% (inward) and +25% (outward) of the presaccadic target eccentricity,
during the period of saccadic suppression of displacement (Bridgeman et al., 1975), so
that observers were unaware of such displacement. We modified a method developed
for the study of adaptation in manual reach movements (Hudson & Landy, 2012) to
model changes in saccadic gain as proportional to the target ISS. We constructed a
probability distribution for the model parameters after integrating over internal variables
that characterize the variability and baseline offset of the landing error. We then
obtained a posterior marginal for each parameter integrating over the remaining ones.
We were able to extract the frequency of the overall ISS variation with a delay of 10 to
40 trials, in spite of the high variability in the saccade landing error and a low overall
degree of adaptation. Our results support the hypothesis that the oculomotor system
can adapt the size of the saccades globally as effectively as in a direction specific
manner, tracking a continuously varying ISS with a similar frequency of variation and a
temporal lag of a few tens of trials. Evidence of this fast plasticity can be detected and
extracted from a single short experimental session.
Supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG (grants RO 3579/2–1 and
RO 3579/3–1 to MR).
16
VIRAL INFECTION WITH HTLV-I
IMMUNE RESPONSE AND DEVELOPMENT OF ATL
ROMINA COBIAGA AND WALTER REARTES
Abstract. We propose a mathematical model to describe the infection with human T-cell lymphotropic virus type I (HTLV-I). Immune
response and the possible development of leukemia are considered. This
model is formulated by a set of six nonlinear ordinary di↵erential equations, one for each of the di↵erent cell types involved. We study the
equilibria and calculate the basic reproduction number R0 . Solutions
converging to equilibrium and oscillatory solutions are also studied. Approximate expressions for them are obtained by the multistage homotopic analysis method (MSHAM) and compared with numerical solutions. Finally, we analyze a modification of the model to take into
account the saturation e↵ect on the growth of cytotoxic lymphocytes.
Departamento de Matemática, Universidad Nacional del Sur, Av. Alem
1253, 8000 Bahı́a Blanca, Buenos Aires, Argentina
E-mail address: [email protected], [email protected]
1
17
Título: Un modelo de distribución y persistencia de información olfativa en abejas melíferas:
el papel de la estructura demográfica y la dinámica recolectora
Autores: Gonzalo D. Corti Bielsa1, Enrique C. Segura2, Walter M. Farina1
Grupo de Estudio de Insectos Sociales, IFIBYNE-CONICET, Departamento de
Biodiversidad y Biología Experimental, FCEN-UBA
2
Departamento de Computación, FCEN-UBA
1
Resumen: En las colonias de insectos eusociales, las experiencias vinculadas a la
recolección de alimento dejan huellas en el comportamiento de los individuos. A la vez, esta
actividad se encuentra organizada bajo mecanismos de control descentralizado. ¿Cómo se
integran las experiencias de los individuos en la trama de interacciones sociales que da lugar
a esta actividad colectiva? Aún antes: ¿qué información es relevante en el contexto de esta
actividad? ¿Qué factores modulan la persistencia de dicha información en el sistema?
Evidencia de la última década en abejas melíferas sugiere que el néctar floral que entra en la
colmena circula amplia y rápidamente, y que los individuos que acceden a ese néctar son
capaces de conformar memorias olfativas asociativas vinculadas a las especies florales
ingresadas por individuos recolectores. La amplia circulación de alimento permite que incluso
individuos no vinculados a la recolección accedan a esta información. La organización del
trabajo en grupos de edad conlleva que esos individuos eventualmente lleven adelante
tareas recolectoras. Datos experimentales muestran que llevan consigo estas memorias
tempranas, que podrían incidir más tarde en la toma de decisiones en la regulación de la
recolección de alimento. A pesar de su relevancia potencial, permanece pendiente el
abordaje integrativo de las experiencias olfativas en el contexto de la recolección de néctar.
Formalizamos entonces un modelo basado en agentes de la circulación de información floral
y posterior persistencia de esa información en una colmena estructurada en grupos de edad.
Bajo parámetros cognitivos, comportamentales y demográficos biológicamente relevantes,
las simulaciones muestran que la persistencia de la información en grupos de mayor edad
depende de experiencias tempranas, en particular, de la magnitud social de la distribución de
información en los grupos jóvenes. Asimismo, se observa que la persistencia informativa
tanto en términos de duración como de magnitud social, es sensible a la variación los efectos
demográficos, en particular a los cambios en la tasa de recambio poblacional, situación de
potencial interés en servicios de polinización.
Statistical analysis of the velocity distribution of motor-driven peroxisomes
along microtubules revealed asymmetries in the behavior of plus and minus-end
directed motion in living cells.
De Rossi MC1, Bruno L2, Sued M3, Rodriguez D3, De Rossi ME4, Wetzler D1, Levi V1
1
Departamento de Química Biológica, FCEN-UBA-IQUIBICEN-CONICET
Departamento de Física, FCEN-UBA-IFIBA-CONICET
3
Instituto de Cálculo, FCEN-UBA-CONICET
4
Instituto de Astronomía y Física del Espacio-UBA-IAFE-CONICET
2
Cell survival and maintenance of biological functions depend on an effective intracellular
transport. Molecular motors transport a wide variety of cellular cargoes positioning them in the
cytoplasm with high spatial–temporal precision. These proteins bind to specific cargoes and
step along cytoskeletal filaments using energy provided by ATP hydrolysis. In particular,
bidirectional transport along microtubules is driven by kinesin and dynein motors, which
transport cargoes toward the plus and minus end of microtubule, respectively. It has been
proposed that the overall direction of motion results from either the cooperation and/or
competition between these opposed-polarity motors. In this work, we follow the motion of
fluorescent peroxisomes in living Drosophila S2 cells by using a fast-tracking routine in order to
get insight into the mechanism of transport. With this aim, we evaluate the segmental velocities
of organelles driven toward the plus or minus end. These distributions were complex and thus
we followed a statistical approach to extract the information hidden in these data. We perform a
selection model, based on the Akaike information criterion (AIC), to determine the number of
populations under a Gaussian mixture model that explained the experimental data, estimating
parameters for each model using Expectation Maximization algorithm to approximate the
maximum likelihood estimators. Bootstrap methods were used to get confidence intervals for
the parameters of interest. The results show that at least three populations of motors transport
peroxisomes inside the cell toward minus and plus-end showing that multiple motor copies
transport the cargo simultaneously. We also found that plus end-directed transport is impaired
when cells expressed a slow kinesin Eg5, indicating that this motor acts as an anchor to plus
end motion. Curiously, the presence of this slow motor does not perturb the minus-end directed
transport. These results suggest that there is a regulatory mechanism that controls the direction
of microtubule dependent transport in living cells.
18
19
LA# MORFOLOGÍA# DEL# FITOPLANCTON# REFLEJA# LAS# VARIACIONES#
ESPACIO4TEMPORALES#DEL#SISTEMA#FLUVIAL#DEL#PARANÁ#MEDIO#
#
Melina'Devercelli'1,'Federico'Giri'1,2'
1'
Instituto'Nacional'de'Limnología'(INALI,'CONICETBUNL)'
1,2'
Facultad'de'Humanidades'y'Ciencias'(FHUC,'UNL)'
'
Los' grandes' ríos' con' llanura' aluvial' como' el' Paraná' constituyen' una' intrincada' red' de'
ambientes'que'se'conectan'entre'sí'en'grado'variable'dependiendo'de'la'distancia'entre'ellos,'
la' posición' topográfica' y' la' magnitud,' duración' y' frecuencia' de' los' pulsos' hidrológicos.' La'
complejidad'del'sistema'reside'en'las'variaciones'que'ocurren'a'distintas'escalas'espaciales'y'
temporales.' Los' ensambles' de' microorganismos' y,' en' particular' el' fitoplancton,' resultan'
buenos'indicadores'de'las'condiciones'ambientales.'Dado'que'la'morfología'se'relaciona'con'
las' características' fisiológicas,' ecológicas' y' evolutivas' de' los' organismos,' el' objetivo' de' esta'
propuesta' es' estudiar' si' los' rasgos' morfológicos' del' fitoplancton' responden' a' las' variaciones'
ambientales'espaciales'y'temporales'del'sistema'fluvial'del'Paraná.'Para'ello'se'analizaron'343'
muestreos'realizados'entre'1976'y'2004'en'8'ambientes'que'incluyen'el'cauce'principal,'cauce'
secundario,'lagunas'conectadas'y'desconectadas'y'un'tributario'localizados'en'el'tramo'medio'
del'río.'Se'midieron'in'situ'y'estimaron'en'laboratorio'variables'hidrológicas,'físicas'y'químicas,'
y' se' tomaron' muestras' de' agua' para' el' análisis' del' fitoplancton.' Se' contaron' los' organismos'
con' microscopio' invertido,' se' identificaron' las' especies' y' se' calcularon' sus' densidades'
(Utermohl' 1958).' Se' utilizaron' aproximaciones' de' las' formas' celulares' a' formas' geométricas'
para'calcular'su'biovolumen'(Hillebrand'et'al.'1999).'Los'rasgos'morfológicos'se'establecieron'
según'3'aproximaciones:'i)'grupos'fisiognómicos'(Reynolds'1984);'ii)'máxima'dimensión'linear'
(MLD)' de' los' organismos' (Lewis' 1976);' y' iii)' grupos' funcionales' basados' en' la' morfología'
(MBFG)' propuestos' por' Kruk' (2010).' Se' calcularon' las' matrices' de' distancia' con' el' índice' de'
BrayBCurtis' para' cada' una' de' estas' clasificaciones,' y' las' matrices' Euclidianas' para' distintas'
combinaciones' de' variables' ambientales.' Se' utilizó' el' test' de' Mantel' para' analizar' la'
correlación' entre' las' matrices' morfológicas' y' ambientales.' Como' resultado,' se' identificaron'
514' especies' fitoplanctónicas.' Entre' éstas' se' encontraron' representantes' de' 6' grupos'
fisiognómicos' (unicelulares' móviles' y' no' móviles,' colonias' móviles' y' no' móviles,' cenobios' y'
filamentos)' y' de' los' 7' MBFG' propuestos' por' Kruk' (2010).' En' cuanto' a' la' MLD,' las' algas' se'
agruparon'en'4'intervalos'de'tamaño'(1B19'µm,'20B39'µm,'40B100'µm,'>100'µm).'Cada'una'de'
estas' clasificaciones' basadas' en' rasgos' morfológicos' del' fitoplancton' se' correlacionó'
significativamente' con' las' variaciones' hidrosedimentológicas' y' espaciales' del' sistema'
(p=0,0001)' aunque' con' un' coeficiente' de' correlación' relativamente' bajo' (R=0,3676' para'
grupos'fisiognómicos;'R=0,3685'para'MLD;'R=0,378'para'MBFG)''probablemente'debido'a'las'
características' propias' de' la' matrices.' Si' bien' se' realizarán' otros' análisis' que' permitan'
relacionar'los'datos'ambientales'con'los'biológicos,'con'esta'primera'aproximación'mostramos'
que' atributos' simples' del' fitoplancton' como' los' rasgos' morfológicos' estudiados,' lograron'
captar'la'heterogeneidad'ambiental'y'evidenciaron'los'cambios'espaciales'y'temporales'de'un'
sistema'altamente'variable.'
'
20
Caracterización
de
mecanismos
de
detección
de
estímulos
extracelulares y su efecto en la modulación del rango dinámico de la
respuesta
Juan Pablo Di Bella, Alejandro Colman Lerner , Alejandra Ventura . IFIByNECONICET UBA
Los seres vivos utilizan información para tomar decisiones. En particular, para
transmitir esta información las células han evolucionado en sistemas complejos
mayoritariamente basados en especies proteicas. Para abordar el estudio de la
transferencia de información a nivel celular podemos identi+car dos tipos de
mecanismos, aquellos encargados de detectar las señales extracelulares y
enviarlas hacia el interior de la célula, y aquellos encargados de leer estas
señales e iniciar una cascada de procesos bio-moleculares permitiendo que la
célula responda de manera adecuada al estímulo externo. Llamaremos
mecanismos de detección a los primeros y de transducción a los segundos.
En este trabajo estudiamos principalmente mecanismos de detección
compuestos por receptores de membrana que interactúan con algún ligando
externo formando un complejo ligando-receptor. En particular, estudiamos las
propiedades de los mecanismos de detección que permiten controlar el rango
dinámico, rango de estímulos para los cuales se pude responder de manera
dosis-dependiente, en base a características dinámicas. Caracterizamos las
curvas dosis-respuesta de detección antes de llegar al equilibrio, tanto para el
caso más simple (reacción ligando-receptor monovalente simple) como para
modelos de receptor mas complejos: consumo de ligando,
síntesis e
internalización del receptor, y múltiples estados de receptores.
21
Pressure patterns in birdsong as the activity of the telencephalon is thermally manipulated.
German C. Dima, Matias Goldin, Gabriel B. Mindlin
Laboratorio de Sistemas Dinamicos, FCEyN, Universidad de Buenos Aires, Argentina.
We studied the pressure patterns used by domestic canaries (Serinus canaria) during song
production, and their changes as the telencephalic nucleus HVC is cooled. We tested the hypothesis
that the patterns emerge from the interaction of two times scales, one of which is affected by the
temperature modulations. In particular, our model assumes that the pressure patterns are the
solutions of a basic neural oscillator being driven by a temporal signal, which is affected by the
thermal manipulations. Under this hypothesis, we investigate the changes in the forcing as a
function of the temperature.
22
EXCURSIONES BIOMATEMÁTICAS: BUCEO CON GRAFOS,
AVISTAJE DE PATRONES Y SURFEO DE CURVAS
Daniel Andrés Dos Santos1*, María Laura Ponssa2 & Virginia Abdala1
1
Instituto de Biodiversidad Neotropical, CONICET-UNT. Horco Molle S/N (4105), Yerba Buena, Tucumán,
Argentina.
2
Unidad Ejecutora Lillo, Fundación Miguel Lillo-CONICET. Miguel Lillo 251 (4000), San Miguel de
Tucumán, Tucumán, Argentina.
*[email protected]
Excursión 1: Entre otros aspectos, la biogeografía estudia patrones de co-distribución espacial entre especies.
La evidencia cruda que dispone el investigador para acometer tal tarea son los registros puntuales de
observación (puntos en el espacio donde la especie fue detectada). La técnica tradicional de estudio consiste
en delimitar áreas poligonales que engloban dichos puntos para luego explorar la superposición entre esas
áreas. Se expone una alternativa de análisis consistente en (i) cuantificar el grado de interpenetración entre las
nubes de puntos (conjunto de puntos geográficos ocupados por las especies) con prescindencia absoluta del
uso de áreas (rasgo rupturista del procedimiento) y (ii) abstraer el conjunto de relaciones de afinidad espacial
entre especies en un grafo o red a partir de la cual se extraen conjuntos de nodos interconectados con
significancia biogeográfica (el resultado del análisis se sintetiza en un clivograma). Excursión 2: Los tendones
son estructuras biológicas relevantes conformadas por fibrillas de colágeno. Las fibrillas no son entidades
aisladas sino que están interconectadas entre sí mediante puentes proteicos conformando una red. Además, los
tamaños de su sección transversal no son uniformes. Se apela al grafo de Gabriel para modelar el conjunto
interconectado de fibrillas en una sección transversal del tendón. Se estudian las propiedades de percolación
de la red emergente comparando el umbral respectivo ante escenarios de activación aleatoria de nodos versus
activación ordenada (siguiendo el orden del tamaño de las fibrillas). Se detecta un retraso en la percolación
para el caso de activación ordenada en comparación con la activación azarosa. El resultado sugiere un patrón
de empaquetamiento particular de las fibrillas en la matriz extracelular del tendón. Hemos denominado al
patrón balanced interspersion of heteromorphic fibrilar units (mezcla balanceada de unidades fibrilares
disímiles en tamaño). Excursión 3: Las imágenes correspondientes a la migración celular de un embrión en
desarrollo, más particularmente la migración colectiva de células precursoras desde el somito hasta el “limb
bud” (primordio de la extremidad), muestran un desplazamiento curvilíneo no errático. Hemos descubierto
que la curva tractriz puede ser exitosamente ajustada a esta trayectoria. Hipotetizamos que la propia
protrusión del limb bud (limb bud outgrowth) ejerce una fuerza de tracción que se propaga a través del medio
interno del embrión y jala a las células hacia el destino en cuestión. De confirmarse el hallazgo, las
consecuencias para el entendimiento de la biología del desarrollo serían altamente relevantes. Se procura
discutir formas de testeo de la hipótesis y un modelo físico apropiado.
Método gráfico de asociación de supercontigs en la secuenciación del genoma
de Rhodnius prolixus
Esponda-Behrens, Natalia I. y Rivera-Pomar, Rolando V.
Centro Regional de Estudios Genómicos (CREG); Fac. de Cs. Exactas, UNLP.
Boulevard 120 n°1459 (e/62 y 63), CP1900, La Plata. E-mail: [email protected]
La secuenciación de genomas implica una etapa experimental de obtención de las
secuencias y una etapa bioinformática que implica el montaje (ensamblado) de los
datos parciales obtenidos. Para la obtención inicial de datos, es necesario partir de
fragmentos de ADN/ADNc relativamente pequeños, cuya longitud varía según el
método de secuenciación. En el caso de R.prolixus (una vinchuca centroamericana), la
mayoría de las secuencias iniciales (trazas) rondan los 300 a 800 pares de bases
(300-800pb). Una vez obtenidas éstas, se procede al ensamblado in silico.
Los softwares utilizados se basan en comparaciones y detección de similitud de los
fragmentos, de modo que es posible realizar un montaje basado en solapamientos y
obtener secuencias de mayor longitud (contigs). Estos datos se complementan con
nuevos datos experimentales que permiten determinar ordenamientos a mayor escala
en supercontigs y scaffolds de tamaño creciente.
Esta metodología tiene limitaciones; se llegan a obtener secuencias de diversos
tamaños, pero no se alcanza la resolución a nivel de cromosomas. Los scaffolds
contienen regiones en las cuales la secuencia está bien establecida y regiones de
secuencia indeterminada, que funcionan como espaciadores y se indican como “N” (secuencia desconocida). Esta limitación puede deberse a diferentes motivos, como
ausencia de información local o, al contrario, por presencia de secuencias repetidas
dispersas por todo el genoma, a las cuales no se les puede adjudicar una ubicación.
En nuestro trabajo, intentamos caracterizar el cluster HOX de R.prolixus a partir de
secuencias distribuidas en ocho supercontigs que no pudieron asociarse por similitud
de secuencias. En un intento de salvar esta dificultad, creamos un método gráfico con
fines orientativos, que nos permitió establecer la probable asociación de contigs. El
método consistió en “binarizar” la secuencia, discriminando entre regiones informativas
(con secuencia establecida) y no informativas (N). Cada supercontig se graficó como
una barra de dos colores, con el aspecto de un código de barras, donde se
representaron cada uno de los dos tipos de región, respetando longitudes y
ubicaciones relativas. Luego, las barras se contrastaron visualmente con el fin de
establecer posibles complementariedades. En cada caso, se esperaba encontrar uno
de tres posibles resultados: inclusión, solapamiento o falta de coincidencias.
No descartamos la posibilidad de que existan supercontigs intermedios además de los
ocho considerados; sin embargo, dado que la conversión de secuencia a gráfico se
realizó sin ayuda bioinformática, no nos fue posible establecer comparaciones a mayor
escala. Con este método logramos vincular dos de los ocho supercontigs, resultado
que se sustenta por la presencia de exones de un único gen en ambos.
23
24
Ritmos circadianos y respuesta a la temperatura en tres especies de árboles nativos patagónicos Maximiliano Estravis Barcala1,2,* , María Verónica Arana1,2 1
INTA – Estación Experimental Agropecuaria Bariloche, 2CONICET * [email protected] El reloj biológico o circadiano es un sistema presente en una gran variedad de seres vivos (desde cianobacterias hasta mamíferos), que permite anticipar cambios cíclicos en el ambiente mediante la generación de salidas (outputs) rítmicas a partir de un oscilador central, o reloj. Por definición, los outputs circadianos mantienen su ritmicidad en condiciones ambientales constantes (free-‐running), y en un rango relativamente amplio de temperaturas, propio de cada especie biológica. Esta última propiedad (llamada compensación por temperatura) es notable, ya que las tasas de reacción enzimática varían considerablemente con la temperatura, y son muchas de estas reacciones las que conforman el oscilador circadiano. La compensación surgiría, entonces, por el balance entre procesos que alargan el período y procesos que lo acortan (balance antagónico). Un reloj descompensado no es capaz de acoplar sus ritmos con los cambios en el ambiente. En las plantas, se ha demostrado que la pérdida de capacidad de acople de los ritmos con el ambiente disminuye el fitness de los individuos. Por lo tanto, la compensación por temperatura de los relojes circadianos podría actuar como un factor limitante en la distribución espacial de las especies. Nuestro sistema de estudio consta de tres especies de árboles nativos del género Nothofagus: roble pellín, raulí, y lenga, distribuidas a lo largo de un gradiente altitudinal en el norte de la Patagonia. Cada especie es dominante en un estrato altitudinal, pasando a ser menos abundante y eventualmente a no estar presente a medida que varía la altura. Nuestros datos indican que el factor ambiental que varía más fuertemente con la altura es la temperatura. Por lo tanto, nuestra hipótesis es que la propiedad de compensación por temperatura contribuye a la definición de nichos ecológicos de estas tres especies. Este sistema puede aportar datos para ser abordados matemáticamente de varias maneras. Experimentalmente, en laboratorio, se puede variar la temperatura a la cual están expuestas las plantas, de manera de estudiar el comportamiento oscilatorio (período y amplitud de diversos ritmos) de cada especie en distintas temperaturas, y así caracterizar los rangos de compensación específicos. Por otro lado, en laboratorio se puede eliminar el oscilador ambiental luz/oscuridad, pasando a condiciones de free-‐running. Los ritmos circadianos y los ciclos ambientales son modelados como osciladores plausibles de acoplarse entre sí, y presentando la propiedad de compensación por temperatura. El cambio de condiciones de luz/oscuridad a free-‐running es un sistema interesante para estudiar desacople de osciladores. Además, al tratarse de especies nativas, contamos con experimentos de campo en el bosque donde naturalmente crecen estas especies. Allí puede estudiarse el comportamiento de las tres especies en los tres estratos altitudinales (uno en la zona de dominancia de cada especie). El campo, de esta manera, actúa como un “laboratorio natural”, dando a los datos a modelar un realismo mucho mayor, y un desafío también mayor debido a la gran cantidad de variables no controladas presentes. 25
Un modelo para la renovación celular del epitelio intestinal.
A.J.Fendrik(+,*), E.Rotondo(+) and L.Romanelli(+,*).
La diferenciación celular consiste en los procesos por los cuales se originan
células diferenciadas (no mitóticas) a partir de células mitóticas (células madre)
en los organismos pluricelulares. Estos procesos ocurren durante el desarrollo
embrionario, en el cual se origina todo un organismo a partir de una única
célula (totipotente) y durante la renovación de tejidos en adultos en los cuales
un pequeõ conjunto de celulas madre (multipotentes) da origen a los diferentes
tipos de células que forman un linaje dado (según el tejido que se trate). Dentro
de estos últimos procesos, la renovación del epitelio intestinal de mamı́feros es
un ejemplo paradigmático dado que, debido a su exposición, es el tejido que mas
rápidamente se renueva. Dicho epitelio esta organizado formando cavidades en
forma de dedo conocidas bajo el nombre de criptas de Lieberkuhn. En condiciones estacionarias, las criptas están constituidas por un número pequeño de
células madre confinadas en el fondo de la cripta (la punta del dedo) que al proliferar, no sólo mantienen estable el número de células madre sino que también
originan los cuatro tipos de células diferentes que componen el linaje intestinal.
Estas células, a medida que se diferencian, migran coherentemente hacia la parte
superior de la cripta perdiéndose, finalmente en el lumen intestinal. Cualquier
desvı́o de este régimen (por ejemplo alguna mutación en una célula madre) produce cambios morfológicos (por ejemplo adenomas) en la cripta. Presentamos
aquı́ un modelo que describe este régimen de renovación permanente.
(+) Universidad Nacional de Gral. Sarmiento-Instituto de Ciencias.
(*) CIC-CONICET.
Aplicación del modelo temporal de Komarova a la remodelación ósea
Nilton Alan García Hilares
Universidad Nacional Mayor de San Marcos
El sistema óseo es una estructura fundamental para las actividades físicas, así como reserva
de calcio y otros minerales. El esfuerzo físico causa estrés, el cual puede producir daño a los
huesos, de forma similar si los niveles de calcio en la sangre disminuyen de cierto nivel, esto es
regulado liberando calcio a través de la remoción (reabsorción) del sistema óseo. En ambos
casos los daños causados al sistema óseo tienen que ser reparados, para reparar la integridad
estructural.
Este proceso de reabsorción y regeneración es referido como remodelación ósea y es
realizada por entidades multicelulares complejas a las cuales nos referiremos como BMU (bone
multicellular unit), cada BMU consiste de varios tipos de células que interactuantes y toda una
variedad de factores bioquímicos.
La importancia de la remodelación ósea es clara, cuando consideramos la implicación de su
malfuncionamiento o deficiencia, ya que si no se da una adecuada regeneración ósea, el daño
microscópico del sistema óseo puede agravarse generando daños macroscópicos como
facturas, además las patologías en el funcionamiento de las BMU en gran parte son las
responsables de males como la osteoporosis.
Por esto se estudiará un modelo matemático temporal para la interacción de las células del
BMU [1], el cual es regido por el siguiente sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias
𝑑𝑢
⎧
⎪ 𝑑𝑡
⎪
𝑑𝑢
⎨ 𝑑𝑡
⎪
⎪ 𝑑𝑧
⎩ 𝑑𝑡
=
𝛼 𝑢
,
𝑢
,
−𝛽 𝑢
=
𝛼 𝑢
,
𝑢
,
−𝛽 𝑢
=
−𝑏 𝑣 + 𝑏 𝑣
El trabajo expone los aspectos biológicos de la formulación, análisis de estabilidad y
simulación. La simulación se realizó en MatLab haciendo un entorno en SimuLink, alternativo al
propuesto en [2], con la intención de mostrar el crecimiento, decaimiento y nivel constante de
la densidad ósea a lo largo del ciclo de vida.
Referencias:
[1] SVETLANA V. KOMAROVA, Mathematical Model of Paracrine Interactions between Osteoclasts
and Osteoblasts Predicts Anabolic Action of Parathyroid Hormone on Bone. Endocrinology
Copyright c 2005 by The Endocrine Society. 146(8), 2005, 3589-3595.
[2] FONSECA, A. AND GARZÓN, D. A., Implementación del modelo de remodelación ósea de
Komarova para el estudio de la sensibilidad del proceso de remodelamiento óseo ante
cambios en factores locales. Ingeniería y Ciencia, Universidad EAFIT. 5(10), 2009, 107-132.
26
27
Patrones caóticos en ríos con llanura aluvial. El río Paraná en su tramo medio como modelo de
estudio.
Federico Giri1,2 y Melina Devercelli1
1
Instituto Nacional de Limnología (INALI, CONICET-UNL)
2
Facultad de Humanidades y Ciencias (FHUC, UNL)
Palabras clave: series de tiempo, exponente de Lyapunov, caos-determinístico
Los ríos son considerados sistemas dinámicos cuyas características están en gran medida reguladas
temporalmente por las fluctuaciones hidrológicas. A su vez, algunos factores físicos y químicos, y
componentes de su biota como el fitoplancton, se encuentran regulados por dichas fluctuaciones
que pueden ser medidas mediante el nivel hidrométrico.
El presente trabajo es un estudio preliminar del comportamiento del nivel hidrométrico (NH) del río
Paraná en su tramo medio. Caracterizar su dinámica nos aportara información relevante para
comprender la organización y el comportamiento los componentes del sistema fluvial.
Para ello, utilizamos los registros del nivel hidrométrico en Puerto Paraná en el período
comprendido entre 1905 y 1973. Los registros fueron diarios y considerados periódicos. El modelo
se corrió con 25437 registros. Se utilizó el paquete tseriesChaos version 0.1-13 para el programa
estadístico R. Se exploró si el NH sigue un patrón caótico mediante la evaluación del máximo
exponente de Lyapunov utilizando diferentes parámetros para concebir el modelo. Es importante
destacar que los parámetros seleccionados son fundamentales para definir al comportamiento del
sistema.
Los resultados revelaron un patrón caótico del nivel hidrométrico en el período estudiado. Esto fue
observado mediante los valores positivos del exponente de Lyapunov que en las diferentes etapas
del modelo variaron entre
de acuerdo con las condiciones iniciales
seleccionadas.
A partir de los resultados obtenidos hipotetizamos que componentes del sistema fluvial como el
fitoplancton también podrían presentar una dinámica caótica considerando que son organismos de
dispersión pasiva sujetos en gran parte a las fluctuaciones del NH y sus variables acopladas.
28
Modelos matemáticos mal definidos en finger tapping: una propuesta
Claudia R. González1, Sabrina L. López1, Rodrigo Laje1,2
1Departamento de Ciencia y Tecnología, Universidad Nacional de Quilmes.
2CONICET.
La sincronización sensomotora es la habilidad casi únicamente humana que nos
permite mantenernos en sincronía con un estímulo externo periódico, como
cuando seguimos el pulso de la música golpeteando con el dedo. En la tarea de
finger tapping, la versión despojada de la sincronización a la música, el sujeto debe
golpetear con el dedo en sincronía con una secuencia periódica de tonos cortos. El
observable por excelencia en esta tarea es la diferencia de tiempo entre la
ocurrencia de cada estímulo y la respuesta correspondiente, llamada asincronía. La
asincronía es también la variable principal elegida por muchos de los modelos
matemáticos (mapas) que intentan describir el fenómeno. En este trabajo
mostramos que la asincronía, a pesar de estar perfectamente definida en términos
operativos, no está bien definida como variable de un mapa cuando se incluyen
perturbaciones al período del estímulo. Proponemos una variable alternativa y un
modelo matemático que la incorpora, y mostramos que nuestra propuesta es
relevante para entender la sincronización a un estímulo variable y la
sincronización interpersonal. Mostramos esto por medio de simulaciones y
experimentos de perturbaciones adaptativas donde el sujeto debe sincronizarse a
un estímulo cuyo período puede cambiar en función de su desempeño previo.
29
Cooperativity in binding processes:
New insights from phenomenological modeling
Diego I. Cattoni1,2, Osvaldo Chara3,4 Sergio B. Kaufman1 and F. Luis González Flecha1
1
Laboratorio de Biofísica Molecular, Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas. Universidad de Buenos Aires – CONICET,
Argentina. 2 Centre de Biochimie Structurale, Université de Montpellier 1 and 2, France. 3 Instituto de Fisica de Líquidos y Sistemas
Biológicos, Universidad Nacional de La Plata - CONICET, Argentina. 4 Center for Information Services and High Performance
Computing, Technische Universität Dresden, Germany.
Specific recognition and interaction between macromolecules and ligands determines the fate of
most cellular processes and thus the behaviour, response and regulation of essential functions in
all living organisms. One of the most interesting, and not fully understood, types of
biomolecular interactions is the so-called cooperative binding.
In this work, mathematical modeling is used to explore the simplest microscopic binding
scheme that can exhibit cooperativity, i.e. a macromolecule with two binding sites for a ligand.
Deterministic kinetic description of the system is given by a set of ordinary differential
equations, and the parameter values determine the corresponding phenomenological binding
model (identical and independent sites, two classes of independent binding sites, and interacting
binding sites). The time course of the concentration of each of the species is obtained by
numerical solution of these equations, and finally, pseudo-experimental equilibrium binding
isotherms are derived from these time series.
An improved protocol, based on the graphical method proposed by Jeffries Wyman in the
1960`s, was used to determine the Hill coefficients from the binding isotherms in the same way
as in a real experimental study. Using this approach we show that the Hill coefficients have a
biunivocal relation with the Gibbs free energy of interaction among binding sites, and their
values are independent of the free energy of ligand association to the empty sites.
Furthermore, one of the major challenges when studying the interaction between
macromolecules and ligands is the distinction between identical sites with negative
cooperativity and different classes of sites without interactions. Both binding models yield a Hill
coefficient values lower than 1, and thus this coefficient does not provide the desired distinction.
Model simulations combined with thermodynamic considerations reveal that although both
models cannot be distinguished at equilibrium, they can be kinetically differentiated. In light of
these findings, we propose a strategy for discrimination between both ligand binding models in
an experimental context, highlighting the usefulness of pre-equilibrium time-resolved strategies
as a key complement of equilibrium studies.
Additionally, the simulated results show that under conditions of strong negative cooperativity,
the existence of some binding sites can be overlooked. Analysis of the simulated data shows that
experiments at very high ligand concentrations (when compatible with solubility and stability
conditions) are a valuable tool to unmask such sites.
This work was supported by grants from Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica
(PICT2010-1876 and PICT2013-1691) and Universidad de Buenos Aires (UBACyT
20020130100460BA).
30
Efecto de la plasticidad sobre la selectividad a la orientación en la corteza
visual primaria
Soledad Gonzalo Cogno1 y Germán Mato1
1
Instituto Balseiro, Centro Atómico Bariloche, CONICET
En 1959 Hubel y Wiesel demostraron que las neuronas de la corteza visual primaria (V1) de los
gatos son selectivas a la orientación del estímulo presentado. Desde entonces, esta selectividad ha
sido observada en cada especie de mamífero que ha sido registrada. Sin embargo, estas neuronas
se organizan de distinta manera dependiendo de la especie en consideración. En gatos y monos,
por ejemplo, neuronas cercanas tienen orientaciones preferidas similares; esto da lugar a lo que se
llama mapa de orientación. En cambio, en ratones, ratas y ardillas no existe tal organización, sino
que las neuronas se organizan de modo tal que sus orientaciones preferidas se distribuyen
aleatoriamente; a esta situación se la conoce como salt-and-pepper.
El hecho de que estructuras tan diferentes den lugar a altos niveles de selectividad hace que uno
se cuestione el rol que desempeñan las conexiones intracorticales; en particular, el efecto de la
presencia de conectividad funcional, y el efecto de la plasticidad sobre dichas conexiones.
En este trabajo estudiamos el efecto de la plasticidad en la selectividad a la orientación para las
dos configuraciones mencionadas anteriormente. Para esto, estudiamos un modelo
computacional de capa 2/3 y un modelo teórico reducido de neuronas selectivas a la orientación;
ambos modelos se encuentran en estado balanceado. Analizamos dos mecanismos distintos de
plasticidad. El primero involucra una regla de STDP (spike-timing dependent plasticity), y el
segundo establece una reconexión entre las neuronas dependiendo de qué tan similares son sus
orientaciones preferidas. Este último escenario genera una conectividad funcional.
Encontramos que bajo ciertas condiciones la regla STDP puede incrementar la selectividad a la
orientación, y el mecanismo a través del cual lo hace es disminuyendo la componente modulada
con respecto a la componente no modulada del perfil de conectividad intracortical. En cuanto a la
regla de reconexión sináptica, la presencia de conectividad funcional conlleva una disminución en
la selectividad a la orientación siempre y cuando la red se encuentre en estado balanceado. Estos
resultados, si bien contraintuitivos, son puramente una consecuencia de la dinámica de los
estados balanceados. También encontramos que la selectividad puede ser aumentada a través de
un proceso de reconexión siempre y cuando las conexiones resultantes den lugar a un estado no
balanceado para un dado modo de Fourier que no sea el modo cero. Comparamos estos
resultados con datos experimentales recientes.
31
Estudio de ondas de propagación de calcio
intracelular por un modelo hı́brido
Nara Guisoni (IFLYSIB, CONICET) y Luis Diambra (CREG, CONICET)
El calcio participa como regulador en múltiples funciones celulares, como
la plasticidad sináptica, la expresión génica y la muerte de las células. Para
coordinar tal variedad de funciones el calcio necesita estar regulado tanto en
el tiempo como en el espacio. Dentro de las células este es liberado por los
canales de calcio, que se abren en forma estocástica y cooperativa, generando
un comportamiento no lineal. Los canales se organizan en aglomerados de
algunas decenas de unidades. La apertura de un aglomerado de canales de
calcio en forma simultánea genera un evento local de liberación de calcio.
La comunicación entre aglomerados a través del calcio liberado lleva a la
formación de ondas de calcio que pueden viajar por toda la célula. Estudios
experimentales sugieren que ciertas caracterı́sticas de los fenómenos globales
pueden depender de parámetros que las células son capaces de modificar para
regular la señalización de calcio.
Además de una breve introducción a la biologı́a de los canales de calcio,
presentaremos un modelo hı́brido que acopla ecuaciones de reacción-difusión
a un modelo estocástico que incorpora la bioquı́mica de funcionamiento de los
canales. Con el modelo, estudiamos como los diferentes eventos de liberación
de calcio dependen de dos parámetros: la distancia entre clusters de canales
y la intensidad de las bombas de calcio, que realizan transporte activo dentro
de las células. Encontramos dos modos de propagación, uno dominado por
ondas abortivas y otro por ondas que se propagan, y definimos la frontera
entre ambos. Calculamos la velocidad de las ondas de calcio y mostramos
que esta sigue la Ley de Luther, a partir de la cual es posible determinar
que la tasa efectiva de liberación autocatalı́tica de calcio es inversamente
proporcional a la distancia intercluster y a la potencia de las bombas.
1
32
Comparación de Métodos Autorregresivos para la Detección de Artefactos en Señales EEG
José L. Gutierrez1 - Alois Schlögl2
1. Departamento de Electrónica
Facultad Regional Buenos Aires, Universidad Tecnológica Nacional
Email: [email protected]
2. Institute for Science and Technology Austria
RESUMEN
Este informe muestra en forma comparativa tres métodos para el cálculo de parámetros
autorregresivos en señales EEG, Yule – Walker, Burg y Rmle (método recursivo de Máxima
Verosimilitud). Los resultados obtenidos son comparados con los del método Kalman, utilizado
para procesamiento de artefactos. El objetivo fue determinar el mejor algoritmo aplicable a
señales EEG en un análisis desconectado (offline), que obtuviera el menor error en la
aproximación y que permitiera la mejor detección de los artefactos.
Se calcularon los parámetros autorregresivos para señales con muchas y con pocas muestras, se
hizo el filtrado de las mismas y se midió la calidad del detector por medio de Curvas ROC. Los
algoritmos dieron como resultado la detección de los artefactos de movimiento y de ruido de línea
50/60Hz en aproximadamente un 90%.
Palabras clave: EEG, Filtrado Inverso, Procesamiento de Artefactos, Curvas ROC, Parámetros
Autorregresivos.
Comparison of Different Autoregressive Methods for Artifacts Detection in EEG Signals
ABSTRACT
This report compares three methods for the estimation of AR parameters in EEG signals, Yule –
Walker, Burg and Rmle (Recursive Maximum Likelihood Estimator). The results are then compared
to those obtained by Kalman Filtering, applied in artifacts processing. The aim was to determine
the best algorithm for offline analysis, which could minimize the prediction error, allowing better
artifacts detection.
The AR parameters were calculated with a large and with a small amount of data, then the signals
were filtered and the Receiver- Operator-Characteristics Curves were used to measure the
detector quality. The algorithms allowed the detection of movement and 50/60Hz artifacts in
approximately 90%.
Keywords: EEG, Inverse Filtering, Artifacts Processing, ROC Curves, AR Parameters.
OPTIMIZACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DEL LACTOBACILLUS
ACIDOPHILUS EN TÉRMINOS DEL PH Y TIEMPO DE MADURACIÓN EN
YOGURT DE CHENOPODIUM QUINOA Y COLORANTE DE OPUNTIA
SOEHRENSII
1
Alex Pereda, Vidalina Andía, Yersi Huamán Romani2, 1Cristhian Aldana, 1Elbert
Hermoza, 1Juan Tineo, 1Mireli Ramírez.
1
Universidad Nacional San Cristobal de Huamanga
2
Universidad Nacional José María Arguedas
El presente trabajo muestra una forma de dar valor agregado a la Chenopodium quinoa
“Quinua” combinada con el colorante natural de Opuntia Soehrensii “ayrampu” y con otros
ingredientes como leche y bacterias lácticas para la elaboración de Yogurt, cuyas propiedades
alimenticias son beneficiosas para una buena digestión, permitiendo la proliferación de
microbiota normal y compitiendo con bacterias patógenas, es muy probable que su efecto en el
cuerpo humano es estimular el sistema inmunológico , destruir otras bacterias, aumentar la
absorción de vitaminas y minerales y mejorar la digestión contribuyendo en gran medida en los
procesos digestivos(1).
La quinua es considerado un cereal por su alto contenido de almidón, que por cada 100 gr
proporciona 368 Kcal de Energía; 14,2 g. de proteínas; 64 g. de hidratos de carbono; 7 g. de
fibra; 6,07 g. de grasa total; 13,28 g. de agua; en minerales contiene, 536 mg. de Potasio; 457
mg. de Fosforo; 47 mg. de Calcio; 197 mg. de Magnesio; 3,10 ug. Zinc; 5 mg. de Sodio; 4,57
mg. de hierro; en vitaminas 0,36 mg. de B1 Tiamina; 0,31 mg. de B2 Riboflavina; 1,52 mg de
Eq. Niacina; 0,48 mg. de B6 Piridoxina; 184 ug. de Folatos; 14 ui. de Vitamina A; 2,44 ug. de
Vitamina E; (2)
Frente a las bondades alimenticias de la Chenopodium quinoa “Quinua” preparada con el
colorante natural de Opuntia Soehrensii “ayrampu” en Yogurt es importante determinar los
niveles óptimos de pH y de Tiempo en días de maduración que optimizan la producción de
bacterias lácticas L. acidophilus UFC/g. (lactobacillus acidophilus LA – 5).
El proceso de optimización del pH y del Tiempo de maduración en la producción de bacterias
lácticas en un litro de Yogurt, es importante porque, la identificación de los niveles óptimos de
las bacterias lácticas tendrán un impacto positivo en el proceso de digestión de los
consumidores y a la vez es probable que se conserve las propiedades energéticas, minerales y
vitamínicas de la Quinua.
El yogurt es producto lácteo que contiene un cultivo de Streptococcus termophilus que producen
ácido y los Lactobacillus bulgaricus que dan aroma, que se encuentran en una proporción de
1:1, un gramo de Yogurt recién preparado contiene 109 bacterias, así mismo también están
presentes los lactobacilos acidophilus que producen la leche con acidófilos.(3)
Luego de analizar los datos del experimento, se concluye que un periodo de maduración de 6 a
10 días y un nivel de acidezde 4 a 4.5 de pH permiten maximizar la producción de Lactobacillus
acidophillus para ambos tratamientos,haciendo que la solución acuosa sea rica bacterias lácticas,
debido a que el Lactobacillus acidophilus absorbe la lactosa y la metaboliza formando ácido
láctico. El nivel de acidez de la solución de ambos tratamientos, disminuye a medida que
transcurren los días hasta llegar a un nivel de 3.1, lo que indica un nivel apropiado para la
conservación de las propiedades bromatológicas del Yogurt.
La producción del segundo tratamiento de Yogurt produce mayor cantidad de Lactobacillus
Acidophillus que el primer tratamiento, alcanzando una producción máxima estimada de
4,13299*1011 UFC/g
2
[email protected]
33
34
Sistema de diagnóstico automatizado para Mycobacterium Tuberculosis a partir de
muestras de esputo con tinción Ziehl-Neelsen
1
Michael Hurtado1
Departamento de procesamiento de señales e imágenes digitales, Pontificia Universidad Católica del Perú
Según la OMS, la tuberculosis es una de las enfermedades infecciosas que más muertes causa cada
año en el mundo, particularmente en paı́ses en vı́as de desarrollo. Existen muchos métodos para
su detección, pero la prueba más utilizada para realizar el diagnóstico es la baciloscopı́a. Siendo la
detección para muestras de esputo con tinción Ziehl-Neelsen por microscopı́a convencional, el tipo
de baciloscopı́a más usado en estos paı́ses, por ser rápida y de bajo costo.
Pero este método de detección presenta muchos problemas, entre ellos tenemos que su sensibilidad
es muy variable y depende mucho de la experiencia del laboratorista, también la toma de muestras y la calidad del equipamiento usado. Adicionalmente, en los paı́ses en vı́as de desarrollo, la
poca disponibilidad de laboratoristas capacitados hace que tengan una sobrecarga de trabajo, por
la gran cantidad de muestras que tienen que analizar y esto afecta directamente en los resultados
de diagnóstico.
Numerosos trabajos han tratado de automatizar la detección a partir de las imágenes de muestras
tratadas con tinción Ziehl-Neelsen, usando técnicas de segmentación para estudiar el borde, el color
y la forma. Para la identificación de los patrones, hay trabajos en los que se usan redes neuronales,
máquinas de soporte vectorial y redes bayesianas. En todos estos trabajos, la base de datos usada
jugó un rol importante, pero no se tiene mucha información de las condiciones en las que fueron
tomadas las imágenes.
Los problemas que se presentan al aplicar estos métodos por imágenes son: la dificultad de diferenciar los bacilos del fondo, el lograr que el programa detecte un clúster de bacilos y hacer que el
programa sea robusto a cambios de iluminación.
En el presente trabajo mostraremos un método automatizado de fácil implementación para la detección de bacilos por procesamiento de imágenes y reconocimiento de patrones morfológicos. Este
método es parte de un proyecto de hardware/software del autor, que busca desarrollar un equipo automatizado de tinción Ziehl-Neelsen para muestras de esputo, porque lo que se busca es estandarizar
la toma de muestras para facilitar la tarea del software de detección.
[1] SOTAQUIRÁ, M., RUEDA, L., NARVAREZ, R., Detection and quantification of bacilli and clusters present in
sputum smear samples: a novel algorithm for pulmonary
tuberculosis diagnosis, Proceedings of International Conference on Digital Image Processing. Bangkok, Tailandia,
pp. 117-121, 2009.
[2] COSTA, M., COSTA FILHO, C., SENA, J., SALEM, J.,
LIMA, M., Automatic identification of mycobacterium
tuberculosis with conventional light microscopy, Proceedings of the 30th Annual International Conference of the
IEE EMBS, pp. 382-385, 2008.
[3] KHUTLANG, R., KRISHNAN, S., DENDERE, R., WHITELAW, A., VEROPOULOS, K., LEARMONTH, G.,
DOUGLAS, T. S., Classification of Mycobacterium tuberculosis in Images of ZN Stained Sputum Smears, IEEE
Transactions on Information Technology in Biomedicine.
Vol.14, No. 4, pp. 949-957, 2010.
[4] NAYAK, R., SHENOY, V.P., GALIGEKERE, R.R., A
new algorithm for automatic assessment of the degree of
TB-infection using images of ZN-stained sputum smear,
International Conference on Systems in Medicine and Biology (ICSMB), pp. 294-299, 2010.
35
Quantifying the bias introduced by the use of different targeted regions of the 16S rRNA
gene for the characterization of microbial communities using amplicon-sequencing
Federico M. Ibarbalz1, M. Victoria Pérez1, Eva L.M. Figuerola1, Leonardo Erijman1,2
1
Instituto de Investigaciones en Ingeniería Genética y Biología Molecular “Dr Héctor N. Torres” (INGEBI-CONICET), Vuelta de Obligado 2490, C1428ADN Buenos Aires, Argentina
2
Departamento de Fisiología, Biología Molecular y Celular, Facultad de Ciencias Exactas y
Naturales, Universidad de Buenos Aires, Ciudad Universitaria, C1428EHA CABA, Argentina
Background
Parallel high-throughput sequencing has transformed the field of microbial ecology by allowing
the extensive characterization of microbial community structures of highly diverse ecosystems.
Amplicon sequencing of the 16S ribosomal RNA gene (16S rRNA) is one of the most widely used
approaches. Prior to parallel sequencing, a particular set of "universal" primers is used to target
one or more of the nine hypervariable regions (V1-V9) present in the 16S rRNA gene. No matter
the sequencing depth, the results are inevitably skewed by the bias introduced by the unequal
amplification of each member of the community, which in turn depends on the selected set of
primers. We have recently showed that bacterial community structure in activated sludge, used
for wastewater treatment, depends primarily on the type of wastewater, even when comparing
sets of data obtained using different 16S rRNA regions. Nevertheless, patterns of bacterial
distribution were noticeable affected by the bias introduced by the targeted 16S rRNA region.
The aim of this work was to assess the degree of dissimilarity among communities that would
overcome the bias introduced by the use of primer sets targeting different 16S rRNA regions. We
hypothesized that a transition from 16S region-based clustering to composition-based clustering
would occur within a gradient of communities with gradually increasing dissimilarity.
To test this hypothesis, we performed 454 pyrosequencing of a series of twelve monthly samples
from activated sludge taken from a sewage treatment plant (STP) located in the northern suburbs
of Buenos Aires, Argentina. Additionally, two activated sludge samples from a different STP
located in the southern suburbs of Buenos Aires were also included in the analysis. DNA
amplification was performed using two pairs of universal primers, targeting the V1-V3 regions (E.
coli 8-534 position) and the V4 region (E. coli 563-924 position). Due to technical replicates, every
sludge sample was analyzed four times, two at each region. Raw reads were filtered, aligned and
taxonomically classified using Mothur v.1.22.2. Distance calculations and statistical analysis were
performed using the Fast UniFrac online tool.
Results
Proteobacteria was the dominant phylum detected by both set of primers. Reads from V1-V3
region highlighted the presence of Actinobacteria and Bacteroidetes, while Firmicutes and
Acidobacteria had higher abundances in reads from the V4 region. UniFrac and Bray-Curtis
distance matrices showed significant correlation between regions (Mantel test), even though, on
average, V4 distances were lower than those from V1-V3. The alpha diversity metrics determined
with both regions were similar.
The percentage of change (C%=100-Similarity%) between samples within the time series were,
on average, 43.5% for V1-V3 and 34.9% for V4. C% between different STPs was 73% and 60%
for V1-V3 and V4, respectively. Despite these large differences in bacterial composition, when
both data sets were analyzed together, samples clustered into two separate groups according to
the 16S rRNA region.
Conclusions
We showed that V1-V3 and the V4 region of the 16S rRNA can reach similar estimation of alpha
diversity, but fail in providing an appropriate representation of beta diversity due to the biases
introduced by the unequal amplification of the different community members. These results
highlight the need to combine different strategies for the study of complex microbial ecosystems.
1 of 1
36
Modelo&de&reacción-difusión&para&la&organización&estereociliar&
A.#Jacobo#y#A.#J.#Hudspeth#
Laboratory#of#Sensory#Neuroscience,#The#Rockefeller#University,#New#York,#
NY#10065#
#
#
Las# células# ciliadas# son# las# responsables# de# la# transducción# de# movimientos# y#
sonidos#a#impulsos#eléctricos#en#los#órganos#de#audición#y#balance#de#los#vertebrados.#
La# capacidad# de# estas# células# para# la# mecanotransducción# de# señales# se# debe# a# la#
presencia#en#su#superficie#apical#de#un#conjunto#de#protuberancias#de#actina#conocidos#
como# estereocilios.# Estos# estereocilios# están# organizados# en# hileras# de# longitud#
creciente#y#los#cilios#de#las#hileras#más#largas#se#conectan#con#los#más#cortos#por#unas#
cadenas# de# proteína# conocidas# como# tipPlinks.# Los# movimientos# de# la# cabeza# –# o# los#
sonidos,# en# el# caso# de# la# cóclea# –# desplazan# el# fluido# en# el# que# se# encuentran# los#
estereocilios,#moviéndolos#y#produciendo#tensión#en#los#tipPlinks.#Esta#tensión#permite#
la#apertura#de#canales#de#iones#localizados#en#la#punta#de#los#estereocilios#y#conectados#
a# los# tipPlinks# lo# que# induce# la# despolarización# de# la# célula# y# la# transmisión# de# un#
impulso#eléctrico#que#es#entonces#enviado#hacia#el#cerebro.#
Con# la# notable# excepción# de# la# cóclea# de# los# mamíferos,# la# organización# de# los#
estereocilios#en#las#células#ciliadas#en#distintos#órganos#mecanoreceptores#de#distintas#
especies#muestran#una#estructura#similar#(Figs.#1a,#b).#Los#estereocilios#se#ubican#en#un#
patrón#hexagonal#que#cubre#una#porción#de#la#superficie#apical#de#las#células#ciliadas#y#
presentan# un# gradiente# de# longitud# como# ya# fue# mencionado.# Esta# organización# es#
fundamental#para#el#correcto#funcionamiento#del#proceso#de#mecanotransducción.#Para#
organizar# los# estereocilios# de# esta# forma# particular# una# célula# debe,# durante# su#
desarrollo,# ser# capaz# de# definir# la# región# de# crecimiento# de# los# mismos,# determinar# su#
arreglo#hexagonal#y#producir#el#gradiente#de#longitud.#
a#
b#
c#
#
#
d#
######
Fig#1:#a)#Estereocilios#en#una#célula#ciliada.#b)#Localización#de#los#estereocilios#(puntos#negros)#en#la#superficie#
de# la# célula# ciliada.# El# punto# negro# más# grande# marca# la# localización# del# cinocilio.# c)# Patrón# hexagonal# creado# por# la#
concentración#de#los#morfogenos,#que#reproduce#la#localización#de#los#estereocilios.#d)##Reconstrucción#tridimensional#de#
la#organización#de#los#estereocilios,#a#partir#de#simulaciones#del#modelo.#
#
En#este#trabajo#proponemos#un#modelo#de#reacciónPdifusión#para#explicar#como#
una# célula# ciliada# podría# resolver# este# problema# [1].# Nuestro# modelo# propone# la#
existencia# de# dos# substratos# a# partir# de# los# cuales# se# sintetizan# dos# morfogenos.# Estos#
substratos# se# producen# en# distintas# localizaciones# de# la# superficie# apical# de# la# célula#
dando#lugar#a#gradientes#intracelulares.#En#las#condiciones#adecuadas#estos#gradientes#
inducen,#en#un#área#delimitada#de#la#célula,#la#formación#de#un#patrón#hexagonal#en#la#
concentración# de# los# morfogenos# reproduciendo# el# patrón# observado#
experimentalmente#(Figs.#1c,#d).#Finalmente,#la#información#dada#por#los#gradientes#en#
los# substratos# puede# también# utilizarse# para# construir# el# gradiente# de# longitud# de# los#
estereocilios.#
#
Referencias:#
#
1.#A.#Jacobo#and#A.#J.#Hudspeth,#PNAS#111#(2014)#
37
Space use by foragers: Efficient exploitation of the resource
Laila Kazimierski, Guillermo Abramson y Marcelo Kuperman. División de Física Estadística
e Interdisciplinaria, Instituto Balseiro, Centro Atómico Bariloche.
We study a simple model of an animal that walks in a substrate that consist in N patches of
vegetation that the animal can visit to get food. This substrate is its only resource, and the
walker takes a portion of food at each visited site. Afterwards, the resource recovers the
value it had before the visit, following a relaxation law. We analyze scenarios of walkers
with different efficiency: walkers that take portions of food of different size at each step.
Both factors, the recovery of the resource and the efficiency of its exploitation, have
important consequences on the use of space and on the characteristics of the walk.
We observe the emergence of a home range visited in a periodic way. Moreover, the way
these cycles arise is not trivial. We find that the walker that takes smaller portions takes
longer to establish a home range. Once found, the period of the corresponding cycle is
longer than the one of more voracious animals. On the contrary, the fraction of used space
is larger when portions are larger. The most efficient use of the resource, measured as the
balance between gathering and walked distance, corresponds to walkers that take larger
portions.
A maximum entropy two-layer model for codon and amino acid distributions in
genomes and proteomes
Teresa Krick1, Michael Shub2, Ignacio Enrique Sánchez3
1
Departamento de Matemática, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales and IMASCONICET, Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina.
2
CUNY, New York, USA.
3
Protein Physiology Laboratory, Departamento de Química Biológica, Facultad de
Ciencias Exactas y Naturales and IQUIBICEN-CONICET, Universidad de Buenos
Aires, Buenos Aires, Argentina.
The 61 amino acid-coding codons and the 20 protein-coding amino acids are found in
genomes and proteomes with different relative abundances. Amino acid metabolic
costs vary, constraining their incorporation into proteins. On the other hand, the
expected abundances of codons strongly depend on the genomic GC content. The
relative importance of amino acid metabolic cost and genomic GC content on
determining amino acid and codon abundances is poorly understood. Here, we present
a two-layer maximum entropy model that is constrained by both amino acid metabolic
cost and genomic GC content. The model explains the relative abundances of amino
acids across a diverse set of over 1000 organisms, better than models including
only amino acid metabolic cost or genomic GC content constraints.
38
López and Giovanini
39
An agent based model to address population
heterogeneity in epidemics
Leonardo López1,2* and Leonardo Giovanini1,2
Abstract
Agent-based models (ABM) have been increasingly
used to describe systems consisting of a massive
collection of simple objects, leading to emerging
behaviours of potentially big complexity. Here we
address the heterogeneity of a diseased population
developing an ABM. The model takes in account
the immune response at individual level trough
Ordinary Di↵erential Equations(ODE ) model. Also
incorporate a flocking algorithm for individuals
movement in order to approximate real behavior of
individuals movement.
Keywords: Agent; Model; Epidemics; Flocking;
Emergent; Self Organization
Content
Individuals based models (IBMs) have the capacity to
replicate dynamic systems, which classically are described by sets of partial di↵erential equations, building it from the bottom up rather than the top down
[1]. The individuals interact according to simple rules,
complexity or chaos may emerge as a result of this rules
that govern the individual behavior, not from complex
equations.
Self-organization is central for the description of biological systems [2]. This is a process in which pattern
at the global level of a system emerges solely from the
interactions among the lower level components of the
system. The rules specifying interactions among the
system’s components are executed using only local information.
Our model introduce in each individual an ODE system that reproduces the immune response to obtain
the factors that determine the infection separately. In
this way the emergent behavior can be analysed. The
individuals move to urban centers during one part of
the day and move away during the rest of the day and
so on. The likelihood of infection depends not only on
*
Correspondence: [email protected]
Research Institute for Signals, Systems and Computational Intelligence,
Santa Fe, Ruta Nac. No 168, km 472.4, 3000 Santa Fe, Argentina
Full list of author information is available at the end of the article
1
the stage of the infectious agent determined by his own
immune system but on the population density around.
A more complex behavior can be addressed incorporating Fuzzy Cognitive Maps (FCM) to the model.
This allows a symbolic representation for the description and modelling of complex systems at a high level
[3]. Describes di↵erent aspects in the behavior in terms
of concepts and each concept represents a characteristic of the system and these concepts interact with
each other, showing the dynamics of the system [4].
FCM allows to model the interplay between high-level
concepts, and the agents to model the low-level interactions between them [5].
Conclusions
We show that it is possible represent a complex biological system as a collection of simple interacting
objects. Each object is called agent and represent an
individual of the system. The individuals are internally
characterized by an immune response described by and
ODE system. Trough a set of simple rules the individuals interact in the virtual world and as a product of
this interactions emergent behavior arise. The model
also incorporate a flocking based algorithm for accurate a more realistic movement behavior. In this sense
the individual behavior is determined by all the community. The incorporation of FCM make possible simulate complex conduct and make possible model more
realistic scenarios trough a game theory focus
Author details
1
Research Institute for Signals, Systems and Computational Intelligence,
Santa Fe, Ruta Nac. No 168, km 472.4, 3000 Santa Fe, Argentina.
2
Consejo Nacional de Investigaciones Cientı́ficas y Técnicas, Santa Fe,
Argentina.
References
1. Bauer, A.L., Beauchemin, C.A.A., Perelson, A.S.: Agent-based modeling
of host-pathogen systems: The successes and challenges. Information
sciences 179(10), 1379–1389 (2009)
2. Génois, M., Pont, S.C., Hersen, P., Grégoire, G.: An agent-based model
of dune interactions produces the emergence of patterns in deserts.
Geophysical Research Letters 40(15), 3909–3914 (2013)
3. Kosko, B.: Fuzzy cognitive maps. International journal of man-machine
studies 24(1), 65–75 (1986)
4. Dickerson, J.A., Kosko, B.: Virtual worlds as fuzzy cognitive maps. In:
Virtual Reality Annual International Symposium, 1993., 1993 IEEE, pp.
471–477 (1993). IEEE
5. Mago, V.K., Bakker, L., Papageorgiou, E.I., Alimadad, A., Borwein, P.,
Dabbaghian, V.: Fuzzy cognitive maps and cellular automata: An
evolutionary approach for social systems modelling. Applied Soft
Computing 12(12), 3771–3784 (2012)
40
Buen planteamiento local del problema de Cauchy
asociado a la ecuación de Nagumo
Elsa Helena Manjarres1 y Richard De la cruz2
1 Grupo
NUCLEO, Universidad de Boyacá, Tunja, Colombia
2 Universidad
Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Tunja, Colombia
Dentro de las ecuaciones de reacción-difusión se encuentra la ecuación de Nagumo,
ut = Duxx u(u 1)(u ↵) + "h(u, ux , uxx ),
(1)
donde u = u(t, x) es la densidad de población (o concentración quı́mica, dependiendo
del modelo), D es la constante de difusión, " es una cantidad positiva pequeña,
↵ 2 (0, 1) y h es una función tal que h(0, 0, 0) = 0 y h(1, 0, 0) = 0 (para garantizar
que u = 0 y u = 1 continuen siendo los equilibrios estables). Cuando h(u, ux , uxx ) =
un ux en (1) modela el fenómeno de quimiotaxis en el cual u modela la densidad
de población de una bacteria, normalizada tal que u = 1 es el máxima población
sustentable y el parámetro ↵ determina la densidad mı́nima requerida para que
una población sea capaz de sobrevivir. En un sentido general, la quimiotaxis es el
movimiento quı́micamente dirigido de un ser vivo, y refiriéndose especı́ficamente a
las bacterias es el movimiento de éstas en respuesta a gradientes de concentración
de sustancias quı́micas presentes en su ambiente. En los diferentes tipos de bacterias
este mecanismo se desarrolla con algunas particularidades, especialmente en lo que
se refiere a la formación de patrones o colonias. Debido a la complejidad de los
procesos fı́sico-quı́micos involucrados, la obtención de un modelo matemático que
represente con exactitud este comportamiento es un tema de permanente desarrollo,
siendo algunas bacterias como E. coli las más estudiadas y conocidas.
En el presente trabajo se muestra el buen planteamiento local del problema de
Cauchy asociado a la ecuación de Nagumo (1) para cuando " es arbitrariamente
pequeño, en espacios de Sobolev H s (R) con s > 0.
1
Relación entre la variabilidad secuencial proteica y el empaquetamiento
de sus aminoácidos
María Laura Marcos, Julián Echave
Escuela de Ciencia y Tecnología, Universidad Nacional de General San Martín
[email protected]
La velocidad evolutiva de los distintos sitios de una proteína es diferente. La
medida “Relative Solvent Accessibility” (RSA) es considerada el mayor determinante de la variabilidad secuencial. Sin embargo, el grupo ha demostrado que las medidas
de empaquetamiento local o “Local Packing Density” (LPD), “Contact Number” (CN) y “Weighted Contact Number” (WCN), correlacionan mejor que RSA con la variabilidad
secuencial (S. Yeh, et al. 2013). Más aún, el grupo ha desarrollado el modelo “Stress Model”, el cual explica la relación entre las medidas de LPD y la variabilidad
secuencial (T. Huang, M. Marcos, et al. 2014).
Una característica de las medidas de LPD es que son isotrópicas: tienen en
cuenta las distancias entre los sitios pero no sus orientaciones. Si bien se ha
encontrado que el número de sitios en la dirección de la cadena lateral del sitio mutado
correlaciona mejor con la variabilidad secuencial que el número de sitios en la
dirección opuesta (T. Hamelryck 2005), aún no se han desarrollado medidas de LPD
que tengan en cuenta esta anisotropía y que sean mejores predictores de variabilidad
secuencial que las medidas isotrópicas. Por este motivo, el objetivo del trabajo es
evaluar si incluir un factor anisotrópico que le de mayor peso a sitios en la dirección de
la cadena lateral del sitio mutado en las medidas CN y WCN conduce a una mejor
predicción de la variabilidad secuencial. Para aproximar la dirección de la cadena
lateral del sitio mutado usamos la dirección de su carbono beta y la de su centro de
masa.
Obtuvimos que las medidas de LPD anisotrópicas desarrolladas son
significativamente mejores predictores de variabilidad secuencial que las medidas de
LPD isotrópicas, lo que indica que efectivamente el número de sitios en la dirección de
la cadena lateral del sitio mutado tiene mayor influencia sobre su velocidad evolutiva.
Además, obtuvimos que aproximando la cadena lateral del sitio mutado con su centro
de masa se obtiene un mejor acuerdo con la variabilidad secuencial que con su
carbono beta. Este resultado puede ser de utilidad a la hora de calcular medidas de
empaquetamiento local de 2 nodos por sitio, el primero sería el carbono alfa y el
segundo sería el centro de masa de la cadena lateral.
Referencias



S. Yeh, J. Liu, S. Yu, C. Shih, J. Hwang, J. Echave 2013. Site-specific structural
constraints on protein sequence evolutionary divergence: local packing density vs. solvent
exposure. Molecular Biology and Evolution.
T. Hamelryck 2005. An Amino Acid Has Two Sides: A New 2D Measure Provides a
Different View of Solvent Exposure. PROTEINS: Structure, Function, and Bioinformatics
59:38–48.
T. Huang, M. Marcos, J. Hwang, J. Echave 2014. A mechanistic stress model of protein
evolution accounts for site-specific evolutionary rates and their relationship with packing
density and flexibility. BMC Evolutionary Biology 14:78.
41
Understanding the Routes of Metastasis
42
Autores:
David H. Margarit1, Lilia Romanelli1,2
Afiliaciones:
1
Instituto de Ciencias –Universidad Nacional de General Sarmiento (UNGS) –Los Polvorines,
Buenos Aires, Argentina.
2
Comisión Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)
Resumen:
The study of cancer, with its processes and treatments, is an important study object of many
sciences. The understanding of metastasis process and its routes are a relevant factor to contribute in
the advance of actual and future of clinical treatments. In the present work, based on statistics and
by using Markov Chains (specially Absorbent Markov Chains), a characterization of the routes of
metastasis for the principal organs is presented, considering those different for males and females.
From transition matrices, the metastasis propagation from different primary sites towards secondary
and tertiary sites is shown, with the relation and analysis about absorbent states.
43
(⇤)
v(⇢)
(⇤)
(⇤⇤)
Let the music be your master: Regularidades estadísticas en la forma de
escuchar música
Nicolás Mongiardino Koch & Ignacio M. Soto
Laboratorio de Evolución. Instituto de Ecología, Genética y Evolución (IEGEBA - CONICET)
La música es una de las expresiones culturales más ubicuas del hombre. Además de su
importancia desde un punto de vista sociológico, se cree también que la expresión musical es
uno de los rasgos comportamentales más antiguos del ser humano, presentando múltiples
atributos cognitivos en común con la comprensión y producción del lenguaje (Mithen, 2005).
Sin embargo, se desconocen aún aspectos básicos acerca de la forma en la que escuchamos
música y los patrones que resultan de dicha actividad. En este trabajo, nos enfocamos en
estudiar cómo se distribuye el tiempo invertido en escuchar música entre los distintos artistas
que forman parte de la biblioteca musical del oyente.
En la actualidad, gracias al desarrollo de los métodos de social tagging se encuentra
disponible una enorme cantidad de información relacionada al hábito de escuchar música.
Para el presente trabajo, se empleó el registro completo de temas escuchados (obtenidos de la
base de datos Last.fm) de 50 personas seleccionadas al azar, abarcando un total de entre
35.000 y 194.000 temas escuchados por usuario, registrados durante un período de 5,1 ± 1,3
años. Esta información fue agrupada de forma tal de contar con el número de temas
escuchados por artista, elaborando así un ranking de artistas por usuario. Al observar un
comportamiento aproximadamente lineal entre el ranking de un artista y la cantidad de temas
escuchados para el mismo, se prosiguió a aplicar la metodología propuesta por Clauset et al.
(2009) para la identificación de funciones potenciales en muestreos estadísticos.
Se logró determinar que los perfiles musicales de 20 de los usuarios estudiados sigue
una función potencial, con un exponente que varía entre -1,7 y -3,7. Este resultado se obtuvo
descartando los valores inferiores a un xmin (determinado por la metodología), siendo la
función potencial una descripción válida para el 76% de los temas escuchados por los usuarios,
en promedio. Además de esta desviación en el extremo inferior de la distribución, se observó
también un desvío importante en el extremo superior, cuya magnitud parece ser la causante
de la falta de ajuste en el restante de los casos.
Los resultados de este trabajo iluminan los procesos que subyacen a la toma de
decisiones involucradas en la escucha de música. Estos procesos se encuentran en la base de
las variables apreciativas que generan lo que se conoce comúnmente como "gusto musical". Es
interesante destacar que una función potencial es el resultado a esperar en caso de que la
probabilidad de escuchar un artista sea proporcional a la frecuencia con la que ésta fue
escuchada en el pasado, modelo conocido como preferential attachment (Barabási & Albert,
1999). Este modelo permite también realizar hipótesis acerca del origen de las desviaciones en
ambos extremos de la distribución. Es necesario, sin embargo, ampliar la metodología
implementada de forma tal de permitir la identificación, no sólo de un valor mínimo más allá
del cual se observa la distribución potencial, sino también de un valor máximo para la misma.
44
45
Codificación de la información: ¿cuándo las ‘correlaciones de tripletes por
casualidad’ producen redundancia o sinergia?
Lisandro Montangie, Fernando Montani
La información mutua que un conjunto de neuronas transmite sobre estímulos
externos se puede desglosar en componentes puramente de tasas de disparos y
componentes de correlaciones. Este tipo de marco teórico proporciona vínculos
fundamentales sobre la naturaleza del código neuronal. En nuestro trabajo mostramos
que las correlaciones dependientes del estímulo de órdenes mayores a dos pueden
producir sinergia y/o redundancia dependiendo de cómo se distribuyan las contribuciones
de tripletes que ocurran por casualidad (es decir, por presencia de correlaciones de
órdenes menores). Este análisis lleva a un nuevo procedimiento de cuantificación de
correlaciones de órdenes superiores para ventanas temporales cortas, que aplicamos a
datos simulados y que es directamente aplicable a registros múltiples de neuronas en
simultáneo.
46
Cuantificando correlaciones de orden superior en una población neuronal
homogénea
Lisandro Montangie, Fernando Montani
Experimentos recientes que involucran poblaciones relativamente grandes de
neuronas han mostrado una cantidad significativa de correlaciones de alto orden. Para
investigar cómo estas estadísticas complejas puedan afectar la codificación de la
información en el cerebro, desarrollamos un modelo analítico sencillo que constituye la
extensión natural del modelo de distribución gaussiana dicotomizada. En este enfoque
consideramos una población neuronal homogénea donde cada neurona dispara
estocásticamente, con entradas comunes altamente interconectadas. Obtenemos una
expresión exacta para cuantificar el grado de correlaciones, enfatizando los aspectos
funcionales de las estadísticas de orden superior. Mostramos cómo no linealidades en la
entrada pueden dar forma a las correlaciones de orden superior y mejorar el rendimiento
de la codificación por poblaciones neuronales.
Physical approaches for modelling circadian rhythms: from cells to networks
47
Nieto PS, Román MD, Revelli JA, Garbarino-Pico E, Condat CA, Guido ME and Tamarit FA.
Predictable environmental changes have been critical for the temporal organization of most living
beings. Organisms have developed endogenous circadian clocks, which generate most of the daily
variations in their molecular biology, biochemistry, physiology and behavior with a period close to
24 h. At the single cell level, the circadian clockwork is based on a set of clock genes, whose
protein products (clock proteins) are necessary components for the generation and regulation of
circadian rhythms. Most clock genes are expressed in a circadian fashion as a consequence of
their mutual interaction and regulation, commonly called “the molecular clock mechanism”, which is
based on interconnected transcriptional-translational feedback loops (TTFL). Recent studies have
demonstrated that the translation of several clock proteins are tightly regulated and highlighted the
role of translational regulation in the circadian dynamics. In the present work we show the effects
of different translational kinetics on the dynamics of the molecular clock. Changes in the kinetics of
PER translation may be one important consequence derived from the PER translational regulation.
Importantly, this level of regulation was not considered in previous theoretical studies of the
circadian clock.
In mammals, the circadian system is composed of a hierarchy of oscillators that function at
the cellular, tissue and systems levels. Circadian clocks exist throughout the body, in
individual cells and organs, and these clocks are kept synchronized by the master
circadian pacemaker, the suprachiasmatic nuclei (SCN). Lack of the fine circadian system
organization has wide-ranging influences on metabolism, mood, addictive behaviors,
immune system, among others. The SCN is comprised of a diverse population of cells
(neurons and glia) which function coordinately in order to drive physiological and
behavioral circadian rhythms. SCN cells are circadian clocks able to communicate with
each other, sync their activity and hence become -as a whole- a biological clock both
precise and robust. Although the SCN oscillators function in a unified manner when
coupled, this does not mean that they are completely synchronous. In fact, the expression
of clock proteins within a SCN slice, displayed a specific spatio-temporal pattern,
characterized by the heterogeneity of their phase peaking. Importantly, the gene
expression dynamics display a consistent (not-random) spatio-temporal pattern,
suggesting that they emerge as a consequence of the precise interactions between the
SCN cells. The mechanisms by which these phase relationships are established are not
well understood, but certainly depend on the integration of multiple intercellular signals
present in the SCN, which ultimately define the underlying functional connectivity of the
SCN. In this work we use a model of circadian cellular oscillators coupled through different
network architectures in order to simulate the dynamical behavior observed in SCN slices.
48
Combinación de variantes de clustering jerárquico para la detección de grupos significativos
en función de índice Silhoutte.
Pagnuco, Inti1,2; Pastore, Juan1,2; Abras, Guillermo1; Brun, Marcel1; Ballarin, Virginia1.
1
Grupo de Procesamiento Digital de Imágenes, Facultad de Ingeniería. UNMdP, 2CONICET
La selección de genes es una tarea importante en el área de la bioinformática, donde los genes
significativos son agrupados utilizando algún criterio de significación. Esta tarea se realiza
generalmente por algoritmo de agrupamiento, los cuales proporcionan una visión sobre la posible
co-regulación entre los genes. Estas técnicas son sub-óptimas, pues no recorren todos los posibles
subconjuntos. Esto se debe a que la cantidad de subconjuntos crece en forma combinatoria con la
cantidad de datos. Por ejemplo para un conjunto de 2000 genes, la cantidad de subconjuntos a
evaluar es de 22000. Por otro lado, dichas técnicas generan, usualmente, conjuntos muy grandes,
dependiendo de la cantidad de grupos, definidos en forma heurística, e ignora grupos muy pequeños
que pueden ser potenciales candidatos.
Para solucionar este problema se planteó previamente una búsqueda exhaustiva en el árbol de
agrupación del algoritmo jerárquico, donde la selección de los grupos candidatos está definida por
el índice de compacidad y separación Silhoutte. Basado en los resultados positivos obtenidos en [1],
en este trabajo analizamos que variantes del algoritmo de agrupamiento jerárquico (Complete,
Average y Single, utilizando distancia euclidiana y correlación) encuentra mayor cantidad de
subconjuntos óptimos. Adicionalmente proponemos un nuevo enfoque basado en la combinación
de todas las variantes.
El análisis se realizo en dos partes. Dado un conjunto de datos simulados, por un lado se calculó el
índice Silhouette para todos los posibles subconjuntos realizando búsqueda exhaustiva,
obteniéndose el Gold Standard, y por otro lado se aplicaron las diferentes variantes del
agrupamiento jerárquico, usando el índice Silhoutte para seleccionar los mejores subconjuntos. Se
evaluaron los resultados analizando, para cada variante, cuantos subconjuntos de alto índice fueron
detectados.
En el análisis se definieron 4 conjuntos sintéticos de datos, que consistían en matrices de 10x30.
Cada fila era una variable (gen) con 30 medidas asociados cada una (muestras). El modelo básico
de cada variable consiste en una distribución Gaussiana con matriz de co-varianza ajustada para
obtener diferentes niveles de correlación entre las variables. El primer caso tenia alta correlación
entre variables 1 y 2, el segundo caso alta correlación entre variables 1 y 2; 3 y 4; y entre 7 y 8. En
el tercer caso la variable 3 no estaba correlacionada con ninguna. En el cuarto caso había dos
bloques no correlacionados. La tabla 1.a resume los resultados obtenidos, como valor promedio de
Silhouette de los grupos detectados. A mayor valor promedio, mayor cantidad de grupos de alto
valor (del gold standard) fueron detectados. La tabla 1.b muestra el resultado de analizar la
posición (en el listado gold standard) de los grupos detectados.
Average Silhoutte
Combination
Average_ce
Average_eu
Complete_ce
Complete_eu
Single_ce
Single_eu
Case 1
0,12699
0,19926
0,1986
0,19022
0,22447
0,15622
0,19633
Case 2
0,26772
0,38681
0,39887
0,35197
0,38638
0,34833
0,38394
Case 3
0,16033
0,17919
0,17886
0,16701
0,17886
0,18367
0,17369
Case 4
0,15025
0,18005
0,19037
0,18005
0,18115
0,17123
0,17494
Average Index
Combination
Average_ce
Average_eu
Complete_ce
Complete_eu
Single_ce
Single_eu
Case 1 Case 2 Case 3 Case 4
13,37
7,25
5,75
8,25
35,5
27,87
14
20,5
25,12
15,5
8,62
17
60,5
43,75
36,37
20,5
13,37
29,25
8,625
19,62
110
50
8,5
61,62
27,62
17,87
10,25
32,75
Tabla 1: 1.a) Resume el valor Silhoutte promedio de los grupos detectados por cada estrategia. 1.b) resume el promedio
de los índices de los grupos detectados por cada estrategia.
Como conclusión de este análisis se propuso una nueva combinación de variantes de agrupamiento
jerárquico el cual obtuvo mejores resultados en la detección de grupos con alto Silhoutte.
[1] J.I. Pastore, G. Abras, D. Comas, M. Brun, V. Ballarin, “Gene Selection via Significant Subsets using Silhouette
Index”; A2B2C, Quilmes, 2010.
49
Abordaje histórico a algunas de las relaciones entre Biología y Matemática (y Computación).
Marzio Pantalone, UNC. Centro de Investigaciones FFyH.
El objetivo de este trabajo es focalizarse en algunos vínculos conceptuales entre Biología y
Matemática que han llevado a que a veces se entrelacen sus prácticas a lo largo de una historia de
ya más de cien años de relaciones.
La Biología –desde sus orígenes- tuvo fuertes tensiones con disciplinas más asentadas,
principalmente Física y Matemática, que si bien se mostraban intrigadas por el fenómeno biológico,
eran reticentes a la generación de una metodología de abordaje ad hoc. El presente trabajo busca
desplegar –a través del abordaje de casos históricos- algunas problemáticas compartidas en este
siglo de contacto, y algunos puntos de distanciamiento.
50
Diseño in silico de inhibidores para la enzima UDP-galactopiranosa mutasa
de Trypanosoma cruzi
Cossio-Pérez, Rodrigo*; Palma, Juliana; Pierdomonici-Sottile, Gustavo
Unidad de Fisicoquímica. Universidad Nacional de Quilmes. Bueno Aires, Argentina.
* Contacto: [email protected]
Resumen:
La enzima UDP-galactopiranosa mutasa (UGM) cataliza la conversión de UDPgalactopiranosa en UDP-galactofuranosa, el precursor activado de la galactofuranosa. Este
azúcar se encuentra presente en diversos organismos patógenos del ser humano incluyendo a
Trypanosoma cruzi, y cumple en ellos un rol esencial en la viabilidad y la virulencia. Por estos
motivos, y sumado a que la galactofuranosa no se encuentra presente en humanos, su ruta
biosintética ha despertado recientemente especial interés como blanco para el desarrollo de
fármacos.
En el siguiente trabajo se caracterizó el sistema UGM en su forma apo y con sus
ligandos naturales: UDP-galactopiranosa y UDP-galactofuranosa. Además, se exponen datos
sobre la primera etapa de búsqueda de inhibidores, basada en cálculos de docking molecular.
Esta técnica se ha aplicado sobre bases especialmente diseñadas para contener una amplia
diversidad de compuestos químicos. Posteriormente, los compuestos fueron perfeccionados
mediante un algoritmo genético. Así se obtuvo un grupo reducido de compuestos que
presentarían afinidad por la enzima y por ende tendrían la capacidad de competir con el
sustrato e inhibirla.
Título: MAPK's y multiestacionariedad vía estados estacionarios tóricos
51
Autores: Mercedes Pérez Millán – Adrián Turjanski
Resumen: Las proteínas quinasas MAPK's juegan un rol esencial en la transducción de los
estímulos ambientales al núcleo celular, regulando así una gran cantidad de procesos (por ejemplo,
proliferación, apoptosis, diferenciación y movilidad celular). En nuestro trabajo, consideramos tres
redes representativas de MAPK's que presentan, bajo cinética de acción de masas, un ideal de
estados estacionarios binomial. Aplicamos entonces herramientas algebraicas y encontramos valores
para las constantes de reacción que muestran que estos sistemas pueden ser biestables. De esta
forma se puede observar un comportamiento histerético frente a las señales extracelulares. Nuestra
técnica se basa en la topología de la red y no necesita conocer a priori valores de constantes.
52
DINÁMICA DEL CONTROL BIOLÓGICO BASADO EN UN MODELO
DE CADENA ALIMENTICIA CON TRES NIVELES TRÓFICOS
Jhelly Reynaluz Pérez Núñez
Instituto de Investigación, Faculatad de Ciencias Matematicas, UNMSM
El motivo de desarrollar este modelo matemático es por la pérdidas económicas que ocasionan las plagas y
por la contaminación hacia el medio ambiente al utilizar fungicidas, pesticidas e insecticidas. La importancia del
estudio de la dinámica de los controladores biológicos, recae en el hecho de que por lo general son de bajos costos
y no son nocivos para las personas del entorno.
El sistema de cadena alimenticia con tres niveles tróficos que estudiaremos es una adaptación de un modelo
depredador-presa razón dependiente Holling tipo II, al cual se le añade un nuevo nivel trófico de esta manera tendremos presa(planta), depredador intermedio(plaga) y depredador superior(control biológico).
Por esto se estudiará un modelo matemático en el cual se utiliza un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias
8
>
x0 (t)
>
>
>
>
>
>
>
<
y 0 (t)
>
>
>
>
>
>
>
>
: z 0 (t)
x)
c1 xy
x+y
=
x(1
=
m1 xy
x+y
d1 y
=
m2 yz
z+y
d2 z
c2 yz
z+y
,
x(0) > 0
,
y(0) > 0
,
z(0) > 0
Para este modelo estudiaremos la estabilidad e inestabilidad de las soluciones, también veremos diversos escenarios de extinción (extinción total y parcial, notemos que la extinción total se interpretarı́a como la pérdida total
del cultivo mientras que la extinción parcial podrı́a darse como la coexistencia del cultivo con la plaga o el caso
óptimo de solo persistencia del cultivo, el cual se entiende como el éxito del control biológico).
En el presente trabajo las simulaciones estan hechas en MatLab haciendo uso del Método de Runge-Kutta de
cuarto orden.
Referencias
[1] H SU S. B., H WANG T. W., K UANG ., A Ratio-Dependent Food Chain Model and Its Applications to Biological
Control , Mathematical Biosciences, 2003.
1
53
Fundamentos+PCR+–+real+time+y+su+relación+en+una+función+exponencial+para+
determinar+el+valor+Cycle+threshold+(Ct).+
D.#Prada#(1);T.#Sanchéz#(1)#;#A.#Flores#(1)#;D.#Ore(2)#
(1)# Lab.# Microbiología# Ambiental# y# Biotecnología.# Facultad# de# Ciencias# Biológicas.# # Universidad#
Nacional#Mayor#de#San#Marcos,#Perú.##
(2)#Lab.#Ecología#Molecular#y#Biodiversidad.#Facultad#de#Ciencias#Biológicas.##Universidad#Nacional#
Mayor#de#San#Marcos,#Perú.##
+
La# Reacción# en# Cadena# la# Polimerasa(PCR),# es# una# herramienta# transcendental# en# biología#
molecular,# que# ha# tenido# gran# influencia# en# los# diferentes# campos,# desde:# la# salud,# alimentos,#
industria# farmacéutica,# criminalística# forense,# entre# otros.# Su# fundamento# es# el# aumento# del#
número# de# copias# de# una# molécula# de# ADN,# previamente# purificada,# # por# medio# de# una# Enzima#
termófila,# la# Polimerasa,# que# en# presencia# de# un# primer# y# desoxirribonucleotidos# fosfatados#
(dNTP)# ,# a# altas# temperaturas;# producto# de# estas# temperaturas# la# molécula# de# ADN# se#
desnaturaliza,# e# ingresan# cebadores(primers)# específicos# a# cada# hebra# del# ADN,# luego# ingresa# la#
polimerasa# realiza# la# reacción# en# cadena,# complementando# los# nucleótidos# de# cada# hebra,#
finalmente#al#bajar#la#temperatura:#se#unan#las#hebras#de#ADN#.#Este#proceso#genera#nuevas#copias#
del#ADN#y#a#su#vez,#estas#son#nuevamente#copiadas,#hasta#terminar#el#número#total#de#ciclos.#Sin#
embargo,#la#cuantificación#del#número#de#copias#de#ADN#en#relación#al#tiempo#es#necesaria,#por#
ello# se# implementó# a# esta# técnica# sondas# reporteras# marcadas# con# colorantes:# Esta# técnica# se#
llama#la#técnica#de#PCR#en#tiempo#real#(PCRU#eal#time)#o#PCR#cuantitativo#(qPCR).##En#toda#PCRU#real#
time,# siempre# se# utiliza# la# inserción# de# reporteros# que# emiten# una# señal# al# equipo# para# poder#
cuantificar# el# ADN.# Esta# variante,# tiene# por# defecto# la# reducción# de# la# eficiencia# del# número# de#
copias# de# ADN# en# el# tiempo# y# la# emisión# de# la# señal# del# reportero,# además,# se# debe# tomar# en#
consideración# la# muestra# a# amplificar# y# la# calidad# de# primers,# porque# puede# ser# un# factor# que#
también#disminuya#la#eficiencia#del#proceso.#Para#resolver#dicha#incertidumbre,#se#ideo#el#control#
endógeno,#el#control#endógeno#es#una#muestra#patrón#a#amplificar#que#sirve#para#estandarizar#el#
proceso,#que#ayudar#a#determinar#el#valor###¨Threshold#cycle¨#(Ct),#tomando#como#referencia#los#
valores# del# control# endógeno# y# la# muestra# antes# de# hacer# la# curva# exponencial,# dicho# valor# me#
permite#discernir#si#la#eficencia#de#la#qPCR#(E=1).###
+
54
Protein structure and epitope prediction to evaluate the effect of high-pressure and heat treatment
on Beta-lactoglobulin (BLG).
Débora M. Primrose
Abstract
Food allergies are abnormal immunological reactions to foods. The protein β-lactoglobulin (BLG), the main
whey protein fraction in bovine milk, is one of the first antigens encountered by a newborn child, and it is
the major allergen causing cow's milk allergy. Hypoallergenic infant formulas are usually made of
extensively hydrolysed proteins, which should lose almost completely their immunologic reactivity. Highpressure or high-temperature treatments used to produce the hydrolysis can enhance the antigenic
response of BLG (which can be found in dimeric form) at early stages of treatment. This is caused by the
unfolding of the protein, resulting in a better accessibility for the antibodies (1).
Most epitope prediction studies use programs that predict the accessibility of antibodies to the antigenic
peptide (Hydrophilicity) or linear B cell reactivity predictions (Bepipred). Combining methods for T cell and
B cell epitope prediction, a mathematical model that would allow a more precise antigen prediction was
constructed. Discontinuous B cell predictions (2) were used previous determination of the 3D protein
structure by homology modelling (3). Predictions of Class II T cell antigenicity were performed (4) on BLG
for the most common Buenos Aires human population haplotypes (5).
!
The predictions obtained with linear B cell predictions (Bepipred) and Hydrophobicity predictions were
compared to the novel algorithm prediction. The novel algorithm using the discontinuous B cell predictions
and including the T cell reactivity predictions better explained the experimental results where the
antigenicity increases at early stages of the treatment due to the exposition of hidden epitopes in the area
of contact of both BLG monomers.
!
References
1) Kleber N., Maier S. and Hinrichs J. Antigenic response of bovine β-lactoglobulin influenced by ultrahigh pressure treatment and temperature. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 8:
39-45 (2007).
2) www.cbs.dtu.dk/services/Discotope
3) www.cbs.dtu.dk/services/CHPmodels
4) www.cbs.dtu.dk/sertvices/Bepipred
5) www.allelefrequencies.net
55
ELECTRORETINOGRAPHIC SIGNALS IN A MODEL OF RETINAL DEGENERATION
IN RATS.
Quinteros Quintana, M.L1; Benedetto, M.M2; Vera de Payer1, E.; Guido, M.E. 2; Maldonado,
A.C1,3; Contín, M.A2.
(1) Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; (2)
CIQUIBIC- CONICET. Facultad de Ciencias Químicas UNC; (3) CIEM-CONICET. Córdoba.
Argentina. E-mail: [email protected]
ABSTRACT
The retina is a light-sensitive multi-layered tissue that lines the back of the eye. When it receives a
light stimuli, biopotentials in all its layers are activated, from the outer layer (ONL: photoreceptors,
rods and cones) to ganglion cells and finally to a specific area of the brain. This biopotentials can be
measured to determine the functional state of photoreceptors, in a model of retinal degeneration
(RD) in rats. When the retina is exposed to constant low light, a permanent activation of
phototransduction occurs, leading to RD. In this model, rods are the most damaged cells, causing
visual dysfunctions; from slight (night vision loss) to severe ones (total blindness).
The electrophysiological test used to assed the functional state of the retina is the Electroretinogram
(ERG). Especially the scotopic recording can show alterations in photoreceptor cells, particularly
rods.
In order to study the progress of RD induced by low light, an animal model of RD induced by
exposure to constant low light was used. Wistar rats were exposed to constant white light of 200 lux
intensity from 1 to 7 days. Control animals were kept in light (200 lux) / dark (0 lux) cycles 12hs
/12hs (LD) or constant darkness (DD). ERG signals were registered in every group according to
ISCEV standards to be compared. Signal processing techniques were used, like Time- Frequency
or Time-Scale (Fast Fourier Transform – Wavelet Transform) to identify patterns, and demonstrate
that the dysfunction begins before the significant ONL reduction.
We found that the exposure to constant light reduces photoreceptors cells only after seven days of
exposure (ONL reduction). We also show that the dysfunction of these cells could begin before the
ONL reduces. ERGs of control and experimental groups were compared. The analysis of the
principal parameters of the ERG (Amplitude (µV) and latency time (ms)) shows that there could be
an increasing dysfunction in the photoreceptor’s biopotentials as the RD progress. Based on these
results we conclude that retinal damage by constant low light exposure could be a useful model to
study the progressive dysfunction in photoreceptor cells and to detect if the damage is still
reversible.
56
Parameter estimation in a model of cancer invasion
Authors: Quiroga Andres; Fernandez Damian; Torres German; Turner Cristina
Resume: We present a method for estimating unknown parameters
that appear on an non-linear reaction-di↵usion model of cancer invasion.
This model consider that tumor-induced alteration of microenviromental
pH provides a mechanism for cancer invasion . A coupled system reactiondi↵usion describing the spatial distribution and temporal development of
tumor tissue, normal tissue, and excess H+ ion concentration. After solving
the direct problem, we use the model for the estimation of parameters by fitting the numerical solution with experimental data. We define an appropriate functional to compare both the “real” data and the numerical solution.
We use the adjoint method for the minimization of this functional.
57
“Modelo Matemático de la Dinámica de Transmisión del VIH/SIDA en una
Población Heterosexual Activa en el Perú con Aplicación a la Salud Pública”
1
Neisser Pino Romero
1
Instituto en Investigación en Ciencias Matemáticas, UNMSM.
Se presenta un modelo que explica la dinámica de transmisión de la enfermedad del Síndrome de
Inmunodeficiencia Adquirida (SIDA) entre parejas heterosexualmente activas donde se considera
el uso de protección por medios naturales y no naturales. Se incluyen los supuestos, las variables,
el sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias que representar· al modelo, el análisis cualitativo
y la sensibilidad del modelo con su respectiva estabilidad local mediante el método de la Matriz de
la Siguiente Generación, y una estrategia de control.
Se implementará computacionalmente el modelo para un entendimiento dinámico del mismo
mediante una interfaz gráfica con lo cual ayudará para un análisis epidemiológico para la toma de
decisiones en la Salud Publica en el aspecto social y económico donde surgen las grandes
diferencias a mediano y largo plazo entre los modelos estadísticos y los modelos compartimentales
para una visión y perspectiva de un problema de una enfermedad infecciosa que puede generarse
como epidemia o pandemia.
Una previsión de manera económica y epidemiologia permite tener en cuenta la mejor manera de
manejar los recursos disponibles de tal manera que el bienestar de la población se vea garantizado.
La Bioeconomía como una nueva área de investigación en cuanto a la epidemiologia matemática
en conjunto de la economía brinda nuevos horizontes para una investigación más interdisciplinaria
que complementa todas las ciencias para el bien común de la sociedad y del medio ambiente.
Referencias
1. Dirección General de Epidemiologia. Boletín Epidemiológico, MINSA, febrero, 2015.
2. Cueto, Marcos. Culpa y Coraje: Historia de las Políticas sobre el VIH/SIDA en el Perú. Vol. 7.
Consorcio de investigación económica y social. 2001.
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Ministerio de Salud, 2006. pp. 25-27, 42-47.
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Mathematics and Statistics, Arizona State University. 2002.
5. López Cruz, Roxana. STRUCTURED SI EPIDEMIC MODELS WITH APPLICATIONS TO
HIV EPIDEMIC. Arizona State University. pp. 27-45. 2006.
6. 0. Diekmann, J.A.P. Heesterbeek, M.G. Roberts. The Construction of next-generation matrices
for compartmental epidemic models. Journal of Royal Soc. Interface 2010.
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Inhibition-based theta resonance in a hippocampal network
a modeling study
Horacio G. Rotstein 1 , Eran Stark 2 , György Buzsáki
3
Network rhythmic oscillations result from the cooperative activity of the participating neurons and synaptic connectivity. Several neuron types exhibit subthreshold
(membrane potential) resonance (a peak in the voltage amplitude response to oscillatory current inputs at a preferred, resonant, frequency). Whether and how
subthreshold preferred frequency responses translate to the spiking regimes in single cells and networks (spiking and network resonance) are still open questions.
We use mathematical modeling and simulations to address these issues in the context of in vivo experimental results where pyramidal cells (PYR) and parvalbuminimmunoreative interneurons (INT) were optogenetically stimulated using wide-band
(WB) oscillatory signals (Stark et al., Neuron, 2013). Dependence of spiking activity on input frequency was measured by the spectral coherence between the input
and output signals. While PYR have been shown to exhibit theta subthreshold
resonance in vitro (Hu et al., J Physiol, 2002), in vivo responses of individual directly stimulated PYR were not predominantly at theta, but WB as INT were. In
contrast, PYR exhibited theta band-limited rebound spiking induced through direct
stimulation of INT, which exhibited a WB response. We present a minimal biophysical (conductance-based) model of a CA1 hippocampal network that captures these
experimental results. The basic model includes PYR and INT. The extended model
includes also OLM ( orients-lacunosum moleculare cells). PYR and OLM included
h-currents. The presence of subthreshold resonance in isolated PYR is not communicated to the spiking regime mainly due to the strong effect of the oscillatory input
amplitude. PYR theta-band response results from a combination of rebound spiking and a timing mechanism. Rebound spiking is responsible for the generation of
spikes at input frequencies that are low enough for the voltage response to be above
threshold. The timing mechanisms are responsible for ”erasing” spikes generated
by input frequencies lower thant theta. We implemented two such mechanisms: (i)
network-mediated inhibition from OLM or (ii) synaptic depression of INT synapses.
Overall, these results provide a mechanistic understanding of network resonance at
theta frequencies.
1
Department of Mathematical Sciences, New Jersey Institute of Technology, Member of the
Graduate Faculty, Federated Department of Biological Sciences Rutgers University / NJIT and
Center for Molecular and Behavioral Neuroscience, Rutgers University.
2
NYU Neuroscience Institute, School of Medicine, New York University.
3
NYU Neuroscience Institute, School of Medicine, New York University.
1
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La matriz extracelular determina la longevidad del receptor de estrógeno mediante la vía del
reciclado endosomal
Sampayo, Rocío1; Toscani, Andrés M2; Rubashkin, Matthew G.3; Cáceres, Alfredo4; Latkins, Jonathon N3;
Weaver, Valerie M3; Coluccio Leskow, Federico2; Simian, Marina1
1
Área Investigación, Instituto de Oncología “Angel H. Roffo”, UBA.
2
IQUIBICEN-CONICET y Depto. Química Biológica, FCEN, UBA.
3
4
Center for Bioengineering and Tissue Regeneration, UCSF, CA.
Instituto de Investigación Médica Mercedes y Martín Ferreyra (INIMEC-CONICET), Córdoba.
El cáncer de mama es la principal causa de muerte por cáncer en mujeres a nivel mundial. El 75% de
los tumores de mama diagnosticados son positivos para receptores de estrógeno (ER) y progesterona. Para
estas pacientes, el tamoxifeno, un modulador selectivo del ER, ha sido la terapia de elección durante las
últimas tres décadas. Sin embargo aproximadamente 1/3 de las pacientes desarrolla resistencia, posicionando
a este fenómeno como un gran desafío clínico. En nuestro laboratorio estamos focalizados en el estudio del
papel del estroma tumoral como inductor de resistencia endócrina. Hemos identificado mediante estudios in
vitro que una de las más abundantes proteínas de matriz extracelular, la fibronectina (FN), vía su interacción
con la integrina β1, es capaz de conferir resistencia al tamoxifeno. Estos resultados nos llevaron a hipotetizar
que podría haber un cross-talk entre la vía del ERα y la integrina β1. En células que expresan ERα,
aproximadamente la mitad de los receptores inactivos se encuentran en el citoplasma. Sin embargo hay un
pool de receptor que puede palmitoilarse y anclarse en membrana, desde donde media las acciones rápidas,
no genómicas, de los estrógenos. Con el objetivo de determinar si el ERα podría interactuar físicamente con
la integrina β1 en membrana, analizamos la secuencia de la integrina β1 y encontramos que la misma posee,
en su región transmembrana próxima al citoplasma, una secuencia de cinco aminoácidos, NR-box (LXXLL),
que ha sido previamente identificada responsable de mediar la interacción entre receptores hormonales y sus
co-activadores transcripcionales. Por ensayos de co-localización por microscopía confocal y de
superresolución (TIRF) confirmamos que efectivamente la integrina β1 y el ERα co-localizan en la
membrana plasmática. El objetivo de este trabajo fue determinar las implicancias biológicas de esta
interacción. Encontramos que el estradiol induce endocitosis en células de cáncer de mama, promoviendo la
internalización de ambas moléculas. Esto conlleva a la down-regulación del ERα, que coincide con su
colocalización con Rab7, marcador de endosomas tardíos. La inhibición de la endocitosis mediada por
caveolina (pero no la de clatrina) impide la traslocación del ERα hacia el núcleo y disminuye su actividad
transcripcional. Sin embargo, en presencia de FN, se estabilizan los niveles de ERα. Más aun, éste no colocaliza con Rab7 y se incrementa su actividad transcripcional. Esto indicaría que la FN es capaz de reciclar
al ERα a membrana plasmática, posiblemente junto con la integrina β1 activa, la cual es típicamente
reciclada en presencia de FN. Teniendo en cuenta que el estradiol induce la internalización de integrina β1,
decidimos investigar su impacto en la formación y estabilización de focos de adhesión. Usando un sensor de
talina y microscopía ultrarrápida de regresión luego de photoswithching (RAPS), determinamos que los
focos de adhesión se estabilizan por el tratamiento con estradiol, en concordancia con los datos obtenidos
mediante western blot. Es más, el estudio de la dinámica de talina mostró que el tratamiento con estradiol
sincroniza la velocidad de recambio de esta molécula entre todos los focos de adhesión presentes en cada
célula. Nuestros resultados muestran que la FN y el estradiol modulan la actividad transcripcional del ERα y
la dinámica de reciclado de los focos de adhesión, mediante la interacción entre el ERα de membrana y la
integrina β1. Sugerimos que nuevas intervenciones terapéuticas dirigidas a bloquear este cross-talk podrían
conducir a una reducción en la recurrencia en pacientes con tumores de mama ER+ y con altos niveles de
FN, las cuales típicamente muestran la menor supervivencia. Aunque hasta ahora la mayoría de las terapias
están dirigidas al bloqueo de la actividad transcripcional del ERα nuclear, nuestro trabajo indica que el ERα
anclado a membrana señaliza río arriba del nuclear y podría convertirse en un blanco terapéutico alternativo.!
60
Data Mining en Procesamiento de ADN de Comunidades Microbiológicas
Cristóbal R. Santa María*, Victoria Santa María**, Fernando Galanternick**, Luis López*
Juan Otaegui*, Marcelo Soria***
*DIIT-UNLaM, **Instituto Lanari-FMed-UBA, ***FAUBA
Florencio Varela 1903 San Justo Pcia. de Buenos Aires 54-011-44808952
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Resumen
Se expone la línea de investigación que lleva adelante el Grupo de Investigación y Desarrollo
en Data Mining del Departamento de Ingeniería e Investigaciones Tecnológicas de la
UNLaM. Se detallan los resultados del proyecto de investigación “Data Mining y Simulación
en Evaluaciones de Biodiversidad”, C141 del Programa de Incentivos, y las perspectivas
del nuevo proyecto C169, “Aplicaciones de Data Mining al estudio del Microbioma
Humano”, que se inicia dentro del mismo programa institucional.
Las modernas técnicas de secuenciación de ADN transforman su estructura química
en secuencias informáticas de símbolos cada una de las cuales puede ser vista como una
instancia de una base de datos. Es posible entonces aplicar métodos para clasificar casos y
predecir patrones de comportamiento de forma similar a como se lo hace sobre otros
dominios. Dentro de esta línea de trabajo se desarrolló un algoritmo que permite evaluar la
cantidad de especies distintas en una comunidad microbiana, mejorando la eficiencia de otras
estimaciones estadísticas a partir de muestras. Actualmente se trabaja en las formas de
agrupamientos (clustering) que resulten compatibles con la evaluación clínica del
metagenoma humano (microbioma), el cual sufre importantes variaciones en presencia de
patologías. Se pretende desarrollar un clasificador de enterotipos, conjuntos de genes
asociados a diferentes vías metabólicas, que permita determinar y predecir variaciones
debidas al curso de una enfermedad.
SIMULACIÓN NUMÉRICA DEL PROCESO DE CRIOPRESERVACIÓN DE
61
MUESTRAS BIOLÓGICAS DURANTE SU IMMERSIÓN EN NITRÓGENO LÍQUIDO Y
CÁLCULO DE LOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN CADA
RÉGIMEN DE EBULLICIÓN
M. V. Santos1,3, M. Sansinena2, J. Chirife2, y N. E. Zaritzky1,3
1
Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimentos-Facultad de Ciencias Exactas,
UNLP, CONICET, 116 y 47, La Plata (CP 1900).
2
Facultad de Ciencias Agrarias, Pontificia Universidad Católica Argentina, Cap. Gral. Ramón Freire 183,
(1426), Buenos Aires.
3
Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, UNLP, 47 y 115.
[email protected]
Resumen. El proceso de criopreservación consiste en reducir la temperatura de la muestra
hasta alcanzar el punto de estabilidad biológica. En particular la medición experimental de la
curva temperatura versus tiempo es fundamental para el cálculo de velocidades de
enfriamiento y para detectar si la muestra ha sido vitrificada o si ha sufrido un proceso de
cambio de fase (congelación) en la cual se forman cristales de hielo. Cuando un objeto se
sumerge en Nitrógeno Líquido (LN2) entra en un régimen de ebullición en film debido a las
grandes diferencias de temperatura entre el objeto y el LN2 (T). Este fenómeno ocurre debido
a que el flujo de calor desde el objeto hacia el LN2 provoca la evaporación del nitrógeno en la
cercanía del dispositivo generándose una capa de vapor aislante que retarda la transferencia
de energía. Este fenómeno se lo conoce como efecto “Leidenfrost”. Las curvas de flujo calórico
versus T (curvas de ebullición) para dispositivos empleados en criobiología no son frecuentes
en la literatura; además dada las pequeñas dimensiones de los objetos existen limitaciones
para la medición experimental de la temperatura versus tiempo. El conocimiento de esta
información permite determinar los coeficientes de transferencia de calor que gobiernan el
proceso de enfriamiento: ebullición en film, transición y nucleada. Para predecir los coeficientes
de transferencia de calor (h) es necesario modelar matemáticamente las ecuaciones
diferenciales a derivadas parciales de la transferencia de energía aplicando condiciones de
borde convectivas. En el presente trabajo se estimaron los coeficientes de transferencia de
calor y las curvas de ebullición durante el enfriamiento de pajuelas plásticas conteniendo hielo
(a temperaturas iniciales entre -2ºC a -9ºC) cuando se sumergían las muestras en LN2. Estos
experimentos lograron detectar dos etapas en el proceso de ebullición, produciéndose primero
ebullición en film y luego una transición a ebullición nucleada. Se utilizó un programa en
elementos finitos mediante el software COMSOL para la predicción de la curva de temperatura
versus tiempo que permitió estimar los coeficientes de transferencia de calor en cada régimen
de ebullición. Se realizaron experimentos independientes utilizando pajuelas plásticas que
contenían un fluido biológico (semen+extender) con el fin de corroborar los valores de
coeficientes de transferencia encontrados previamente. En este caso el programa tiene en
cuenta las propiedades variables con la temperatura en el fluido biológico, lo cual constituye un
problema matemático altamente no-lineal y además un coeficiente de transferencia variable
según el régimen de ebullición que ocurre en cada etapa del enfriamiento y/o congelación. Se
realizó la validación del programa contrastando las experiencias de laboratorio con las
predicciones numéricas, y se logró una excelente concordancia. La determinación de los h que
gobiernan el proceso al sumergir pajuelas plásticas en nitrógeno líquido constituye un aspecto
importante para la optimización de protocolos durante la criopreservación de material biológico.
Asimismo resulta útil para el desarrollo de nuevas tecnologías y mejoras del diseño de
dispositivos en el campo de la criobiología.
Palabras claves: criopreservación, simulación numérica, ebullición en film y nucleada, nitrógeno
líquido, coeficientes de transferencia de calor.
1
Ablación Electrolı́tica: Estudio in silico e in vitro de la
Permeabilización del Tejido
62
Herman Schinca1 ; Nahuel Olaiz1,2 ; Guillermo Marshall1,2 ; Pablo Turjanski1,2
1
Depto. Computación, FCEyN, Universidad de Buenos Aires
2
CONICET
April 1, 2015
Resumen
La Ablación Electrolı́tica (EA) de tumores, también denominada Tratamiento Electroqumico de Tumores (EChT),
consiste en el pasaje de corriente eléctrica continua a través de dos o más electrodos insertos localmente en el tejido a
tratar, con el objetivo de destruirlo principalmente por necrosis [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Es sabido que, durante la EA, frentes
de pH opuestos surgen de ambos electrodos (ácido en el ánodo y básico en el cátodo) hasta que los mismos colisionan
en algún lugar entre ellos. Estas alteraciones de pH pueden ser utilizadas para predecir la extensión del área de tejido
necrosada [7], la cual puede ser, en parte, atribuı́da a la electrocoagulación [6]. Algunos autores proponen también
que la ablación se produce en parte a la electropermeabilización [8, 9]. Trabajos previos [3, 5] presentan modelos
in silico que predicen de manera muy aproximada el avance de los frentes de pH. Sin embargo, dichos modelos no
permiten observar de manera directa el área del tejido permeabilizada. El factor de permeabilización de la membrana
celular es la facilidad con que las moléculas pueden atraversarla y depende principalmente de la carga eléctrica y, en
menor medida, del tamaño de la molécula que atraviesa la misma [10]. En el presente trabajo se propone extender
el modelo in silico desarrollado en [5], el cual utiliza ecuaciones de Nernst-Planck para modelar el transporte iónico,
incorporándole un modelo de permeabilización tisular. Los resultados obtenidos son comparados con los de un
modelo in vitro de yema de huevo. Las predicciones del modelo in silico muestran que la permeabilización no
jugarı́a un papel importante en la ablación para esta terapia ya que este fenómeno sólo se produce en la región
circundante al ánodo, mientras que el tejido necrosado ocupa las regiones tanto del ánodo como las del cátodo. Este
resultado es significativo ya que descarta la hipótesis sugerida por algunos autores de que la ablación se debe a la
electropermeabilización [8, 9], reforzándose cada vez más la hipótesis acerca de que, en realidad, son los frentes de
pH extremos los causales de la destrucción del tejido.
References
[1] Nordenström. Electrochemical treatment of cancer I: variable response to anodic and cathodic fields. Am J Clin
Oncol: Cancer Clinical Trials, 12(6):530–536, 1989.
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[3] E Nilsson, H von Euler, J Berendson, A Thörne, P Wersäll, I Näslund, A Lagerstedt, K Narfström, and J Olsson.
Electrochemical treatment of tumours. Bioelectrochemistry, 51:1–11, 2000.
[4] L. Colombo, G. González, G. Marshall, F. Molina, A. Soba, C. Suárez, and P. Turjanski. Ion transport in tumors
under electrochemical treatment: in vivo, in vitro and in silico modeling. Bioelectrochemistry, 71(2):223–232,
July 2007.
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treatment (EChT) of tumors: experiments and simulations. Electrochimica Acta, 54:6199–6206, 2009.
[6] N Olaiz, C Suárez, M Risk, F Molina, and G Marshall. Tracking protein electrodenaturation fronts in the
electrochemical treatment of tumors. Electrochemistry Communications, 12:1388–2481, 2009.
[7] J Finch, B Fosh, A Anthony, E Slimani, M Texler, D Berry, A Dennison, and G Maddern. Liver electrolysis:
ph can reliably monitor the extent of hepatic ablation in pigs. Clin Sci (Lond), 102(4):389–395, 2002.
[8] M. Shawki, M. Elblbesy, T. Shalaby, M. Qotb, and Y. Youssef. Comparative study on the efficiency of using
pulsed and direct current electrochemotherapy in treating ehrlich tumor. International Journal of Biomedical
Science, 8(1):16–21, 2012.
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2013. Hindawi Publishing Corporation, 2013.
[10] Kambiz Vafai. Porous media: applications in biological systems and biotechnology. CRC Press, 2010.
1
63
A General Allometric and Life-History Model for Cellular Differentiation in the Transition
to Multicellularity
Cristian A. Solari, IBBEA-CONICET (FCEyN), Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires,
Argentina C1428EHA
John O. Kessler, Department of Physics, University of Arizona, Tucson, AZ 85721
Raymond E. Goldstein, Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University
of Cambridge, Cambridge, CB3 0WA, UK
The transition from unicellular, to colonial, to larger multicellular organisms has benefits, costs,
and requirements. Here we present a model inspired by the volvocine green algae that explains
the dynamics involved in the unicellular-multicellular transition using life-history theory and
allometry. We model the two fitness components (fecundity and viability) and compare the
fitness of hypothetical colonies of different sizes with varying degrees of cellular differentiation
to understand the general principles that underlie the evolution of multicellularity. We argue that
germ-soma separation may have evolved to counteract the increasing costs and requirements of
larger multicellular colonies. The model shows that the cost of investing in soma decreases with
size. For lineages such as the Volvocales, as reproduction costs increase with size for
undifferentiated colonies, soma specialization indirectly benefits the colony by decreasing such
costs and directly by helping reproductive cells acquire resources for their metabolic needs.
Germ specialization is favored once soma evolves and takes care of vegetative functions. To
illustrate the model we use some allometric relationships measured in Volvocales. Our analysis
shows that the cost of reproducing an increasingly larger group has likely played an important
role in the transition to multicellularity and cellular differentiation.
64
Memorylessness*in*enzymatic*reactions*
Robert'P.'Sosa*,'Carlos'J.'Bustamante'**,'Daniel'G.'Guerra*'
*Universidad+Peruana+Cayetano+Heredia+(UPCH),+Laboratorios+de+Investigación+y+
desarrollo+(LID),+Laboratorio+de+Moléculas+Individuales.+Lima,+Perú.+
**+U.C+Berkeley,+Department+of+Chemistry,+University+of+California,+Berkeley,+California+
94720,+USA.+
'
Andreyevich' Markov' introduced' the' Markov' chains' in' 1906' and' produced' the' first'
theoretical' results' for' stochastic' processes.' Since' then,' many' models' in' statistical'
mechanics,' biochemistry,' molecular' biology' and' other' disciplines' use' Markov´s' theory.'
Markovian' processes' need' to' follow' the' basic' memoryless' assumption,' which' indicates'
that'in'a'process'with'multiple'states,'the'probability'of'passing'from'one'state'to'the'next'
is' independent' of' past' events.' The' memoryless' assumption' is' fundamental' in' statistical'
mechanics'because'it'allows'using'simple'calculations'for'complex'processes.'However,'its'
applicability' is' hardly' ever' demonstrated' when' used' in' chemical' and' biochemical'
experimental'systems.'In'this'article'a'distribution'of'singleNreaction'times'is'derived'from'
basic' chemical' kinetics' without' taking' in' consideration' the' memoryless' assumption.' We'
can' derive' a' similar' distribution' from' Markov´s' theory' with' the' ChapmanNKolgomorov'
equation.'The'difference'between'these'equations'is'a'single'parameter'(λ),'defined'here'
as'the'memory'parameter'and'both'equations'become'equal'when'λ'='N1.'An'evaluation'
of' experimental' data' from' seven' independent' singleNmolecule' studies' of' myosin' V,'
myosin' VI,' ribosome,' cholesterol' kinase,' and' the' reversible' folding' of' an' RNA' hairpin,'
showed'that'λ'kept'values'close'to'N1'for'all'of'them.'It'was'observed'that'this'value'was'
independent'of'the'force'applied'to'the'system,'the'amount'of'reactant,'the'structure'of'
the'catalyst,'the'type'of'chemical'reaction'and'the'time'scale.'We'confirm'therefore'that'
chemical'reactions'catalyzed'by'enzymes'and'other'molecular'processes'generally'follow'
the' memoryless' assumption.' Although' enzymes' are' generally' assumed' to' be' unaffected'
by'the'reactions'they'catalyze,'many'transitory'states'of'reaction'pathways'are'becoming'
experimentally'accessible'for'the'first'time'thanks'to'the'improvement'of'highNresolution,'
singleNmolecule' techniques.' Therefore,' as' the' investigations' deepen' in' the' dynamics' of'
complex' biomolecules,' it' becomes' increasingly' relevant' to' formally' demonstrate' the'
independence' of' every' identified' state' within' enzymatic' reactions' and' structural'
transitions'of'DNA,'RNA'and'proteins.'
Keywords:'memoryless,'chemical'reaction,'single'reaction'time'distribution''
65
Modelado numerico de la invasión de tumores de estadío avascular
Suarez Cecilia, Schiappacasse Agustina, Guerra Liliana, Soba Alejandro,
Marshall Guillermo
Lab. De Sistemas Complejos - Deptos. de Computación y Química Biológica
FCEyN – UBA – CNEA
Durante las últimas dos décadas se han estado desarrollando modelos
matemáticos de creciente complejidad que buscan describir el desarrollo
tumoral, muchos de los cuales se basan en la proliferación y la invasión. En
un trabajo previo se ha desarrollado un modelo que describe el crecimiento
de un glioma en un cerebro humano (Suárez et al 2012). En este trabajo se
aplica un derivado de ese modelo a la descripción del crecimiento e invasión
de esferoides multicelulares inmersos en matriz tridimensional de colágeno I,
modelo in vitro de un microtumor en estadio avascular. El modelo in silico se
basa en una ecuación de reacción-difusión que describe la concentración de
células tumorales en función del tiempo en un dominio espacial
tridimensional. El término de reacción considera una proliferación celular de
tipo logístico y el de difusión, basado en la ley de Fick, simula el crecimiento
volumétrico y la invasión del esferoide en el colágeno según la etapa en la
que se encuentre el tumor (benigno o maligno). Los valores paramétricos
principales del modelo in silico son tomados de las experiencias realizadas in
vitro, lográndose una buena correspondencia entre las tasas de invasión
observadas y las simuladas. Este tipo de interacción numérico-experimental
tiene un amplio potencial de aplicación a la hora de pronosticar el
comportamiento clínico de un tumor en forma paciente-específica en base a
biopsias obtenidas del propio paciente.
!
Protein repeats from first principles
66
Pablo G. Turjanski1 ; R. Gonzalo Parra2 ; Rocı́o Espada2 , Verónica Becher1 , Diego U. Ferreiro2
1
2
Dpto. Computación, FCEyN, Universidad de Buenos Aires & CONICET
Laboratorio de Fisiologı́a de Proteı́nas, Dpto. Quı́mica Biológica, FCEyN, Universidad de Buenos Aires & IQUIBICEN-CONICET
Abstract
Proteins are a small portion of all the sequences that can be formed by combination of the 20 aminoacids. Although protein
sequences are indistinguishable from random aminoacidic chains in their composition, one distinctive feature of proteins is
that they are able to fold, into specific three-dimensional structures [1].
There is a group of molecules inside the proteo universe whose aminoacid sequences are di↵erent from the random ones,
since specific patterns are observable. These molecules, namely repeat proteins are composed of tandem copies of structural
motifs of similar amino acid stretches, that usually fold up into elongated structures [2]. They are present in 14% of known
protein sequences with specific functions generally associated to higher organisms and their pathogens [3]. Several repeat
protein families have been described, based on the occurrence of a elemental repetition of specific lengths and structural
composition, e.g. Ankyrins, Leucine Rich, Heat, TPR, Armadillo, Beta-Propellers, among others. The modular nature of
repeat proteins is advantageous to dissect the sequences-structures-functions relationships, given that interactions within
the polypeptidic chains remain local in space as in contrast to globular families such as globins or inmunoglobulins where
long-range interactions lead to intricate topologies.
If we focus on families, how are these families defined? What is a protein family? Although the definition of protein families
is a major problem in molecular biology, their definition is based on sophisticated strategies that make use of subjective
definitions of substitution matrices, similarity functions, sequence alignments, hidden markov models and others. This nonobjective way of defining what a protein family is, leads to fuzzy limits in between families. This is evident at the Pfam
database [4] where fine tuning for sequence detection parameters using ad-hoc profiles is needed to generate non overlapping
clusters of sequences that constitute the families.
In this work we mathematize the notion of repeat protein families. We start by giving a mathematical definition of a
repeat relative to a set of sequences. Instead of the usual approaches that consider the quantification of occurrences inside a
given sequence, we consider a quantification relative to an explicitly defined set of sequences.
The usual methods to detect repeats at repeat protein families, are based on alignments, mismatches, distance functions
always using an implicit concept of a family of proteins in order to derive the parameters to be used in each case [5].
Our contributions in this work are the following:
• We provide a mathematical definition of a repeat relative to an explicitly given set. Thus, instead of considering that
a protein repeat should have two or more occurrences inside a given sequence, we ask for one occurrence in the given
sequence and at least another occurrence in any of the other members of the set. Repeats are blocks that occur with
perfect matching, in an explicitly defined set of proteins.
• Our definition allows a very efficient computational treatment. We compute repeats in time O(n log n), where n is the
size of the family set (amount of aminoacids). The same computational complexity applies to the quantification of the
number and length of the repeats.
• We formally define the concept of a protein family: A set X of proteins is a family if the sequence corresponding to each
protein in X possesses the same quantification of repeats relative to the set X.
• We propose a method to decide if an arbitrary protein belongs to a family.
• We tested the notion using 173 target sequences from three repeat protein families (Ankyrins, Dehalogenase and WD)
showing that they are repetitive not on their own but on their family context.
• Our experiments show that all families, including the globular ones are repetitive under our concept, it just happens
that some are more repetitive than others.
References
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[4] Alex Bateman, Lachlan Coin, Richard Durbin, Robert D. Finn, Volker Hollich, Sam GriffithsJones, Ajay Khanna, Mhairi Marshall, Simon
Moxon, Erik L. L. Sonnhammer, David J. Studholme, Corin Yeats, and Sean R. Eddy. The pfam protein families database. Nucleic Acids
Research, 32(suppl 1):D138–D141, 2004.
[5] Hong Luo and Harm Nijveen. Understanding and identifying amino acid repeats. Briefings in Bioinformatics, 15(4):582–591, 2014.
67
Caracterización de las propiedades de entrada-salida de sistemas capaces de generar
respuestas transitorias frente a estimulación sostenida en señalización celular.
Lucas E. Alonso, Alejandro Colman Lerner, Alejandra Ventura
Las redes intracelulares de señalización tienen mecanismos de detección, tales como los receptores de
membrana, responsables de sensar estímulos extracelulares. Es comúnmente aceptado que los niveles de
estimulación que causan ocupación máxima del receptor, no pueden ser distinguidos unos de otros: todos
producen la misma respuesta saturante. En trabajos previos, hemos presentado la existencia del mecanismo
de Sensado y Señalización Pre-Equilibrio (Pre-Equilibrium Sensing and Signaling, PRESS), que permite a las
células discriminar niveles de señales que saturan los receptores en el equilibrio. El mecanismo se basa en el
acople entre un módulo de detección lento y con respuesta sostenida y un módulo de transducción rápido y
con respuesta transitoria. Lo que resulta de PRESS es que sistemas de señalización pueden responder en
forma dosis-dependiente aún para dosis que saturan al sistema de detección en equilibrio, expandiendo así
el rango dinámico del sistema (rango de estímulos para los cuales la respuesta es dosis-dependiente).
En este proyecto estudiamos las propiedades de entrada-salida de información de sistemas capaces de
generar respuestas transitorias, para luego entender las propiedades que resultan de su acople con un
módulo de detección lento y con respuesta sostenida
68
Point-FCS experiments in Xenopus laevis oocytes to estimate calcium
coefficient diffusion in cells.
Villarruel C and Ponce Dawson S.
Departamento de Física and IFIBA (CONICET), FCEyN-UBA, Ciudad Universitaria, Pabellón I,
(1428) Buenos Aires, Argentina.
The versatility of calcium as a signaling agent is based on the great diversity of spatiotemporal behaviors that its concentration can display inside cells. Its full comprehension
requires the combination of observation and modeling.
Optical techniques and fluorescent calcium dyes have provided a relatively non-invasive
means to study the dynamics of intracellular calcium signals. Xenopus laevis oocytes are a
model system in which an enormous variety of calcium signals have been observed, from
localized signals to cellular waves.
For the combination of modeling and experiments to be useful it is necessary to have
estimates of certain biophysical parameters in situ. One relevant parameter is the calcium
diffusion coefficient which is key in shaping the spatio-temporal dynamics of intracellular
calcium. Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) is an optical technique that is
commonly used to estimate diffusion coefficients. In this work we show the results of
applying such technique in solution and in Xenopus laevis oocytes using Fluo-8 as the Ca2+
dye.
69
Modulación de la dinámica del volumen vacuolar frente a condiciones hipotónicas por pH: una
aproximación experimental y de modelado matemático.
Victoria Vitali1, Moira Sutka1, Gabriela Amodeo1, Osvaldo Chara2,3, Marcelo Ozu4.
1
Instituto de Biodiversidad, Biología Experimental y Aplicada (IBBEA), UBA-CONICET, Argentina.
2
Instituto de Física de Líquidos y Sistema Biológicos (IFLYSIB), CONICET, Universidad de La Plata, La Plata,
Argentina.
3
Center for Information Services and High Performance Computing (ZIH), Technische Universität Dresden,
Dresden, Germany.
4
Departamento de Fisiología y Biofísica, Facultad de Medicina, IFIBIO-Houssay, UBA-CONICET, Buenos Aires,
Argentina.
Las vacuolas en las células vegetales ocupan un gran porcentaje del volumen celular total
siendo cruciales para la homeostasis del citoplasma. Muchos de los transportadores
implicados en la mayoría de los aspectos de la función vacuolar se han identificado y
caracterizado individualmente. Se propone que los mismos mediarían la modulación del
pH citosólico y la turgencia celular a través de la redistribución de osmolitos, dos procesos
fuertemente ligados a la modulación del estado hídrico de la célula. Poco se sabe acerca
del mecanismo integrado que subyace a la acción de estos procesos en la organela como
un todo. Estudiamos por video microscopía la dinámica del volumen vacuolar en
condiciones de hipotonicidad en raíces de remolacha roja (Beta vulgaris) en distintas
condiciones de pH. La acidificación desencadena no sólo una menor respuesta osmótica
inicial sino también una reducción del volumen en estado estacionario de las vacuolas de
manera dosis dependiente. Un modelo matemático basado en las ecuaciones
fenomenológicas de Kedem-Katchalsky fue desarrollado para interpretar estos resultados.
A partir del ajuste del modelo a los resultados experimentales se obtuvo la permeabilidad
osmótica (Pf) y la permeabilidad a solutos (Ps) de la vacuola en las condiciones ensayadas.
Los resultados de las simulaciones arrojan una relación definida entre el cociente Pf/Ps y el
pH. Es así que la implementación del modelo permite predecir propiedades integrales del
sistema, más allá de las individuales de cada uno de los transportadores presentes en el
tonoplasto.
DISEÑO DE TERMOSENSORES POR BIOINGENIERÍA. ¿ES POSIBLE PREDECIR EL
COMPORTAMIENTO DE SENSORES UTILIZANDO MODELOS MATEMÁTICOS?
70
Inda, Maria Eugenia; Vazquez, Daniela; Cybulski, Larisa.
Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Universidad Nacional de Rosario. Argentina
El cambio en la temperatura ambiental afecta a las reacciones biológicas y las células deben
adaptarse. Un ejemplo de ello es la regulación de la fluidez de la membrana. Las bacterias pueden
remodelar la fluidez de la bicapa con precisión a través de la incorporación de una mayor proporción de
ácidos grasos insaturados cuando la temperatura de crecimiento disminuye, esto altera el ordenamiento
de la bicapa lipídica y optimiza la fluidez. Pero, ¿cómo pueden las células "sensar" la fluidez de la
membrana? La histidina quinasa DesK de Bacillus subtilis es el ejemplo paradigmático de un sensor
térmico capaz de remodelar la fluidez de la membrana cuando la temperatura cae por debajo de 30 ° C,
proporcionando un sistema para investigar el mecanismo de adaptación térmica. Entonces, ¿cuál es el
mecanismo por el cual DesK es capaz de detectar cambios de temperatura y cómo puede convertir esta
señal física externa en una respuesta biológica interna?
Nuestra línea de investigación estudia cómo la información térmica se integra, procesa y
transduce para controlar la expresión génica y postula la intrigante posibilidad de que las deformaciones
inducidas por la temperatura en la membrana celular actúen como reguladoras alostéricas.
Como responsable del control por temperatura, encontramos un grupo de residuos hidrofílicos
situados cerca del extremo N-terminal del primer segmento transmembrana, presumiblemente justo
debajo de la interfase lípido/agua que constituyen una inestabilidad incorporada al sistema. Estos
residuos enterrados en la fase lipídica a baja temperatura son capaces de bucear a la fase acuosa,
estabilizando la posición del segmento transmembrana como una boya1.
En el extremo C-terminal de la parte transmembrana se detectó otro motivo sensible a la
temperatura: el Cierre de Serina (conocido como “zipper de serinas”). El grosor de la membrana controla el estado de señalización del sensor al dictar el nivel de hidratación de estos motivos hidrofílicos
metaestable. Nuestros resultados revelaron que DesK funciona como un dímero, en el que el motivo
boya N-terminal actúa junto con un motivo hidrófilo C-terminal para causar una reorientación de las
hélices en respuesta a cambios en el espesor de la membrana, dirigiendo la activación del sensor2.
Sin embargo, la pregunta subyacente aún se mantiene: ¿Cómo puede la información detectada por
la región transmembrana convertirse en un reordenamiento en el dominio catalítico citoplasmático para
controlar la actividad de DesK? Aquí, identificamos una "región linker" implicada en la transmisión de
la señal que conecta el transmembrana con el dominio citoplasmático. El linker adopta dos estados
conformacionales en respuesta a los cambios de espesor de la membrana dependientes de la temperatura:
(i) random coil, unido a las cabezas de los fosfolípidos, promoviendo el estado de la fosfatasa o (ii) no
unido, formando una hélice continua que atraviesa la región de la membrana hasta el citoplasma,
promoviendo así el estado quinasa. Nuestros resultados sostienen la idea de que el linker está dotado de
una dualidad conformacional hélice/random coil que permite que se comporte como un interruptor de
transmisión, con una discontinuidad en la hélice disminuyendo la relación de actividad quinasa/fosfatasa,
como se requiere para modular la respuesta de DesK3.
Con la información obtenida por nuestro grupo pudimos dilucidar el mecanismo molecular de
termodetección. Variantes de ingeniería de DesK fueron diseñadas con el objeto de diversificar sus
eficiencias de activación en distintos rangos de temperatura; es nuestro objetivo poder parametrizar la
respuesta de las distintas variantes para optimizar y predecir comportamientos de nuestro dispositivo
termosensor para aplicaciones en el novedoso campo de la Biología Sintética.
1
. Cybulski LE, Martin M, Mansilla MC, Fernandez A, de Mendoza,D.(2010)Membrane Thickness Cue for Cold Sensing in a
Bacterium. Curr. Biology 20, 1539-1544.
2 . Cybulski LE, Ballering, Moussatova A, Inda ME, Wassenaar T, de Mendoza D, Tieleman P, Killian A. Activation of the
bacterial thermosensor DesK involves a serine zipper dimerization motif that is modulated by bilayer thickness. PNAS,
2015, bajo revisiones menores.
3 . Inda, M.E., Vandenbranden M., Fernández A., de Mendoza, D., Ruysschaert J.M. Cybulski, L.E. (2014). A lipid-mediated
conformational switch modulates the thermosensing activity of DesK. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111, 3579-84.
Low Attention Impairs Optimal Incorporation of Prior Knowledge in Perceptual
Decisions
Guillermo Solovey*1,2,3,4, Jorge Morales*5, Brian Maniscalco1,6, Dobromir Rahnev1,7, Floris P. de Lange8
and Hakwan Lau1,8,9 (*: equal contribution)
1:
Department of Psychology, Columbia University, USA.
Instituto de Cálculo, FCEyN, Universidad de Buenos Aires, Argentina.
3: Laboratorio de Neurociencia Integrativa, Buenos Aires, Argentina
4: CONICET, Argentina.
5: Department of Philosophy, Columbia University, USA.
6: National Institute of Neurological Disorders and Stroke, National Institutes of Health, USA.
7: The Helen Wills Neuroscience Institute, University of California Berkeley, USA.
8: Donders Institute of Brain, Cognition and Behavior, University Nijmegen, The Netherlands.
9: Department of Psychology, University of California Los Angeles, USA.
2:
When visual attention is directed away from a stimulus, neural processing is weak and
strength and precision of sensory data decreases. From a computational perspective, in
such situations observers should give more weight to prior expectations in order to
behave optimally during a discrimination task. Here we test a signal detection theoretic
model that counter-intuitively predicts subjects will do just the opposite in a
discrimination task with two stimuli, one attended and one unattended: when subjects are
probed to discriminate the unattended stimulus, they rely less on prior information about
the probed stimulus’ identity. The model is in part inspired by recent findings that
attention reduces trial-by-trial variability of the neuronal population response and that
they use a common criterion for attended and unattended trials. In five different visual
discrimination experiments, when attention was directed away from the target stimulus,
subjects did not adjust their response bias in reaction to a change in stimulus
presentation frequency despite being fully informed and despite the presence of
performance feedback and monetary and social incentives. This indicates that subjects
did not rely more on the priors under conditions of inattention as would be predicted by
a Bayes-optimal observer model. These results inform and constrain future models of
Bayesian inference in the human brain
71
72
Determinación in sílico de potenciales blancos terapéuticos para combatir Mycobacterium tuberculosis en su fase latente. Lucas A. Defelipe1, Darío Fernández Do Porto2, Leandro Radusky1, Pablo Ivan Pereira Ramos2, Esteban Lanzarotti1, Adrián G. Turjanski1,2
y Marcelo A. Marti1,2
1. Departamento de Química Biológica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Ciudad Universitaria, Pabellón 2, Buenos Aires, Argentina. 2. Plataforma de Bioinformática Argentina, Instituto de Cálculo, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Ciudad Universitaria, Pabellón 2, Buenos Aires, La respuesta inmune humana frente a la infección por Mycobacterium tuberculosis (
Mtb) se encuentra mediada por la fagocitosis del bacilo por el macrófago que lleva a la formación del granuloma, estructura que detiene la replicación bacteriana. Dentro de esta estructura la bacteria se enfrenta a condiciones de estrés caracterizada por hipoxia, presencia de RNOS y falta de nutrientes. En respuesta a dichas condiciones la bacteria entra en un estadío no replicativo, conocido como de latencia, escapando al sistema inmune y permaneciendo en este estado durante décadas. En dicho estado los actuales fármacos resultan poco efectivos contra el patógeno. Con esto en mente, realizamos un evaluación detallada del estructuroma drogable y estudiamos la relación de los posibles blancos terapéuticos con la sensibilidad a diferentes modelos de estrés bacteriano y su relevancia dentro del metabolismo general de la bacteria. De esta manera, en el presente trabajo realizamos un análisis a escala proteómica de los potenciales blancos terapéuticos de Mtb que nos permitió identificar diferentes enzimas posibles para ser estudiadas como blancos terapéuticos durante el estadio de latencia. Dentro de ellas podemos destacar a inositol-3-fosfato (I3PS), L,D-transpeptidasa y AraC. Seguidamente, la construcción de la red metabólica de Mtb, en conjunto con un análisis de expresión, esencialidad y drogabilidad, nos permitió identificación de importantes vías metabólicas (biosíntesis de micotiol, biosíntesis de histididina, biosíntesis de micolato, síntesis de lipoato y degradación de alanina) que contienen promisorios candidatos terapéuticos para el desarrollo de nuevos fármacos.

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