MF-RALU: design of an efficient multi-functional reversible arithmetic and logic unit for processor design on field programmable gate array platform

Most modern computer applications use reversible logic gates to solve power dissipation issues. This manuscript uses an efficient multi-functional reversible arithmetic and logical unit (MF-RALU) to perform 30 operations. The 32-bit MF-RALU includes arithmetic, logical, complement, shifters, multiplexers, different adders, and multipliers. The multi-bit reversible multiplexers are used to construct the MF-RALU structure. The Reduced instruction set computer (RISC) processor is designed to realize the functionality of the MF-RALU. The MF-RALU can perform its operation in a single clock cycle. The 1-bit RALU is developed and compared with existing approaches with improvements in performance metrics. The 32-bit reversible arithmetic units (RAUs) and reversible logical units (RLUs) are constructed using 1-bit RALU. The MF-RALU and RISC processor are synthesized individually in the Vivado environment using Verilog-HDL and implemented on Artix-7 field programmable gate array (FPGA). The MF-RALU utilizes a <11% chip area and consumes 332 mW total power. The RISC processor utilizes a <3% chip area and works at 483 MHZ frequency by consuming 159 mW of total power on Artix-7 FPGA

An efficient data masking for securing medical data using DNA encoding and chaotic system

Data security is utmost important for ubiquitous computing of medical/diagnostic data or images. Along with must consider preserving privacy of patients. Recently, deoxyribose nucleic acid (DNA) sequences and chaotic sequence are jointly used for building efficient data masking model. However, the state-of-art model are not robust against noise and cropping attack (CA). Since in existing model most digits of each pixel are not altered. This work present efficient data masking (EDM) method using chaos and DNA based encryption method for securing health care data. For overcoming research challenges effective bit scrambling method is required. Firstly, this work present an efficient bit scrambling using logistic sine map and pseudorandom sequence using chaotic system. Then, DNA substitution is performed among them to resist against differential attack (DA), statistical attack (SA) and CA. Experiment are conducted on standard considering diverse images. The outcome achieved shows proposed model efficient when compared to existing models

Design Of Dna Strand Displacement Based Circuits

DNA is the basic building block of any living organism. DNA is considered a popular candidate for future biological devices and circuits for solving genetic disorders and several other medical problems. With this objective in mind, this research aims at developing novel approaches for the design of DNA based circuits. There are many recent developments in the medical field such as the development of biological nanorobots, SMART drugs, and CRISPR-Cas9 technologies. There is a strong need for circuits that can work with these technologies and devices. DNA is considered a suitable candidate for designing such circuits because of the programmability of the DNA strands, small size, lightweight, known thermodynamics, higher parallelism, and exponentially reducing the cost of synthesizing techniques. The DNA strand displacement operation is useful in developing circuits with DNA strands. The circuit can be either a digital circuit, in which the logic high and logic low states of the DNA strand concentrations are considered as the signal, or it can be an analog circuit in which the concentration of the DNA strands itself will act as the signal. We developed novel approaches in this research for the design of digital, as well as analog circuits keeping in view of the number of DNA strands required for the circuit design. Towards this goal in the digital domain, we developed spatially localized DNA majority logic gates and an inverter logic gate that can be used with the existing seesaw based logic gates. The majority logic gates proposed in this research can considerably reduce the number of strands required in the design. The introduction of the logic inverter operation can translate the dual rail circuit architecture into a monorail architecture for the seesaw based logic circuits. It can also reduce the number of unique strands required for the design into approximately half. The reduction in the number of unique strands will consequently reduce the leakage reactions, circuit complexity, and cost associated with the DNA circuits. The real world biological inputs are analog in nature. If we can use those analog signals directly in the circuits, it can considerably reduce the resources required. Even though analog circuits are highly prone to noise, they are a perfect candidate for performing computations in the resource-limited environments, such as inside the cell. In the analog domain, we are developing a novel fuzzy inference engine using analog circuits such as the minimum gate, maximum gate, and fan-out gates. All the circuits discussed in this research were designed and tested in the Visual DSD software. The biological inputs are inherently fuzzy in nature, hence a fuzzy based system can play a vital role in future decision-making circuits. We hope that our research will be the first step towards realizing these larger goals. The ultimate aim of our research is to develop novel approaches for the design of circuits which can be used with the future biological devices to tackle many medical problems such as genetic disorders

Monoliths for purification of a DNA vaccine against Influenza

O vírus influenza é responsável por uma infeção muito contagiosa que afeta o sistema respiratório, convencionalmente designada por Gripe. Este vírus é constituído por uma cadeia simples de RNA “negative sense” pertencente à família Orthomyxoviridae. O vírus influenza apresenta vários antigénios de superfície como a hemaglutinina (HA) e a neuraminidase (NA). A HA é o glicopéptido responsável pela entrada do vírus nas células do hospedeiro e tem correlação direta com a proteção contra o vírus, uma vez que induz a produção de anticorpos neutralizantes. Vários estudos têm demonstrado que o insert HA contido nas vacinas de DNA usadas esperimentalmente permitem conferir protecção cruzada contra várias estirpes do vírus, o que justifica a sua escolha para este projecto. Por outro lado, a NA é responsável pela saída do vírus da célula infetada permitimdo a sua propagação. É de referir ainda a proteína M2, um canal proteico transmembranar responsável pela replicação do vírus. Segundo dados da organização mundial de saúde em dezembro de 2015, as infeções respiratórias são mais frequentemente causadas por influenza do tipo A e B, sendo que a elevada propagação do vírus pelos vários continentes contribui para a ocorrência de mutações e aparecimento de novas estirpes. Assim, todos os anos vários milhares de pessoas são hospitalizadas devido a complicações da gripe, havendo uma taxa de mortalidade considerável, em especial em indivíduos com idade superior a 65 anos e com patologias preexistentes. Deste modo, a prevenção passa pelo reforço anual do sistema imunitário o que é conseguido de forma mais rápida e efetiva mediante a aplicação de vacinas. O objetivo da vacinação é controlar ou diminuir os sinais de infeção e é especialmente importante para indivíduos de elevado risco. As vacinas convencionais contra influenza são preparadas sazonalmente e são específicas para uma determinada estirpe, ou seja, a imunidade gerada não é particularmente ampla e a sua eficácia depende do grau de correspondência entre a vacina e a estirpe circulante. Como alternativa, a utilização do DNA plasmídico (pDNA) como uma vacina não viral tem-se tornado numa potencial estratégia terapêutica para prevenir ou tratar determinadas doenças de forma menos invasiva e segura comparando com os vetores virais. A vacinação de DNA consiste na injecção de DNA bacteriano geneticamente modificado com o gene de interesse que expressa proteínas antigénicas responsáveis por desencadear uma resposta imunológica, evitando a progressão da doença. Estas vacinas oferecem uma série de vantagens quando comparadas às vacinas clássicas, em termos económicos e técnicos. O controlo de qualidade é mais fácil e a comercialização não necessita de uma rede de refrigeração, pois estas vacinas são estáveis à temperatura ambiente e podem ser liofilizadas. Além disso, as vacinas de DNA induzem uma resposta imunitária celular através da produção de linfócitos T auxiliares (CD4+) e linfócitos T citotóxicos (CD8+) e também uma resposta humoral por produção de linfócitos B. O pDNA usado na produção de vacinas deve conter vários elementos funcionais para garantir a sua propagação (origem de replicação procariótica) e seleção em microrganismo bacterianos (marcador de seleção, como por exemplo a resistência a um antibiótico). Adicionalmente, deve apresentar elementos responsáveis por uma elevada expressão nos hospedeiros eucarióticos (promotor de expressão eurariótica, sinal de poliadenilação, sítio de múltipla clonagem) e ativação do sistema imunitário (gene de interesse). O pDNA para fins terapêuticos deve estar em conformidade com as especificações das agências reguladoras, seguindo rigorosos critérios de qualidade em termos de uso de reagentes tóxicos ou de origem animal, bem como de pureza relativamente aos restantes constituintes dos lisados celulares. Contudo, as semelhanças existentes entre o pDNA e os seus contaminantes comuns, como proteínas, endotoxinas, DNA genómico e RNA, podem complicar a sua separação, pelo que o processo de purificação deverá ser extremamente eficiente. Portanto a preparação destas vacinas de DNA requer o desenvolvimento de processos de produção e purificação que permitam obter grandes quantidades de plasmídeo na sua forma mais compacta e biologicamente ativa (isoforma superenrolada (sc)). Hoje em dia qualquer processo para obtenção de vacinas de DNA requer a utilização de métodos cromatográficos para obtenção do plasmídeo sc na sua forma mais pura. A cromatografia é uma técnica quantitativa que tem por finalidade geral a identificação e a separação dos componentes de uma mistura. Os compostos presentes são distribuídos entre uma fase estacionária e uma fase móvel e a separação ocorre porque os compostos têm diferentes afinidades com a fase estacionária e com a fase móvel, portanto deslocam-se com diferentes velocidades. Os métodos cromatográficos exploram propriedades do pDNA como tamanho, hidrofobicidade, carga e a afinidade das suas bases para os ligandos, de modo a promover a separação das impurezas com a maior eficiência possível. A flexibilidade deste tipo de processo advém da grande variedade de suportes e ligandos que podem ser usados, tendo em conta as características da molécula a separar. Em relação aos suportes cromatográficas existentes, alguns problemas ainda precisam de ser ultrapassados, como a baixa capacidade de ligação dos suportes, o tempo do processo de purificação das biomoléculas e os rendimentos de recuperação. Apesar dos bons resultados obtidos com as matrizes convencionais há necessidade de utilizar novas matrizes com melhor performance. Os monolitos poderão ser uma alternativas às matrizes convencionais uma vez que mostram várias vantagens em relação a estas, nomeadamente: elevada capacidade de ligação devido às excelentes propriedades de transferência de massa; separação mais rápida o que leva a uma baixa degradação; resolução independente do caudal; fácil manuseamento e elevada reprodutibilidade. Desta forma, o trabalho apresentado nesta tese consistiu na utilização de colunas monolíticas com a finalidade de purificar a isoforma sc da vacina de DNA NTC 7482-41H-VA2 HA com 6.471kbp que contém o codão de iniciação e sequência necessária para expressar a HA do vírus influenza. Numa fase inicial, foram realizados vários ensaios com plasmídeos modelo de diferentes tamanhos (até 14 kbp) utilizando o monolito CarbonylDiImidazole (CDI) não derivatizado. Este ligando foi escolhido pelas suas semelhanças com a coluna histidina agarose previamente utilizada com sucesso na purificação de um plasmideo modelo. Plasmídeos maiores necessitaram de menor concentração de sal (sulfato de amónio) para ligar ao monolito devido ao maior número de interações entre estas biomoléculas e o monolito. A caracterização do suporte foi possível através da determinação da capacidade dinámica de ligação (DBC) por variação de parâmetros como o tamanho do plasmídeo, força iónica, caudal e o pH da fase móvel. Verificou-se que quanto maior concentração de sal usada, menor a repulsão electrostática dos grupos fosfato no pDNA, o que torna estas moléculas mais compactas aumentando a DBC. Por outro lado, observou-se que para o mesmo caudal, plasmídeos maiores possuem menor DBC, uma vez que ocupam maior área de superfície dentro dos canais do monolito. Por fim, constatou-se que a diminuição do pH também tem uma influência positiva na DBC. No seguimento do trabalho, foi também testado um supporte monolítico imobilizado com agmatina para a purificação da vacina de pDNA contra o vírus influenza. A agmatina é naturalmente sintetizada a partir do aminoácido arginina na forma descarboxilada, e é conhecida pela sua intervenção em inúmeros processos biológicos. As semelhanças estruturais da agmatina com o seu precursor arginina, previamente utilizado como ligando numa coluna de agarose para purificar sc pDNA, foram a razão de escolha para o propósito aqui referido. A agmatina foi pela primeira vez usada como ligando em processos cromatográficos, verificandose que possui a particularidade de funcionar sob dois modos de interação, o que permitiu a aplicação de duas estratégias de purificação: gradiente por diminuição da concentração de sulfato de amónio ou por aumento da concentração de cloreto de sódio. Os melhores resultados foram obtidos com a estratégia que usa sulfato de amónio, atingindo-se um grau de pureza de 98 % e um rendimento de 51,8 %. Adicionalmente, o método apresentou uma elevada DBC (5.656 mg/mL) e uma redução significativa das impurezas do hospedeiro quando comparadas com o lisado injectado no monolito. A eficiência de transfeção nos fibroblastos transfectados com o pDNA sc purificado com esta estratégia foi de 73 %. Por último, a implementação de uma abordagem baseada em cromatografia de troca iónica utilizando o monolito com o ligando etilenodiamina (EDA) para a purificação do pDNA sc com expressão do gene HA do vírus influenza foi também bem sucedida. Este último ligando funciona por troca aniónica e possui semelhanças estruturais com o ligando DEAE, previamente utilizado como método analítico para quantificação de impurezas e da isoforma sc em amostras de pDNA. O processo permitiu uma redução significativa das impurezas provenientes do hospedeiro E. coli obtendo-se um grau de pureza de 97,1% e um redimento de 47%. Após a verificação dos padrões de qualidade do pDNA sc purificado, foram realizados ensaios in vitro com 2 tipos de células (A549 e CHO). A expressão da HA determinada por imunofluorescência permitiu verificar uma maior eficiência de transfecção nas células CHO com cerca de 70,6 %, enquanto as células A549 apenas registaram uma eficiência de transfecção de 61,4 %. De entre todos os métodos cromatográficos utilizados, o EDA permitiu obter um processo mais rápido e com menor impacto económico. No global, este projeto de doutoramento demonstrou que os monolitos possuem um grande potencial de aplicação em processos cromatográficos para a purificação de vacinas de DNA obtidas a partir de lisados complexos de E. coli seguindo as exigências das agências reguladoras. Apesar de os monolitos utilizados com os ligandos acima referidos apresentarem valores de rendimento e purificação relativamente semelhantes às matrizes particuladas convencionais, a elevada capacidade dos monolitos permite uma maior rapidez e eficiência do processo de purificação.Influenza viruses (of the Orthomyx-oviridae family) are enveloped, negative-stranded, RNA viruses with segmented genomes responsible for a significant human respiratory disease named flu. Researchers have made efforts to fight this contagious disease that still shows high levels of morbidity and mortality. The best option for reducing the impact of this viral infection is through vaccination. Even though traditional influenza vaccines are safe and usually effective, they only provide protection against the dominant strains of a given year, and thus need to be annually updated. This limitation, together with the use of embryonated chicken eggs as the substrate for vaccine production, is time-consuming and could involve potential biohazards in the growth of new strains of the virus. In the last years, the expansion of efficient plasmid DNA purification processes has fostered new therapeutic applications, concretely gene therapy and DNA vaccination. The latter is a promising alternative to conventional vaccination since it induces all three arms of adaptative immunity (antibodies, helper T cells, cytolytic Tlymphocytes), providing cross-strain protection. Moreover, DNA vaccines need to be obtained in high quantities, can be easily stored and the production process is generic, in contrast to the complicated process needed for conventional vaccines. However, there are still bottlenecks in the large scale manufacturing of this and other DNA pharmaceuticals, mainly at downstream processing level. It is known that a large quantity of the highly pure biologically active supercoiled (sc) plasmid DNA (pDNA) with pharmaceutical grade is necessary to implement this technology. For that purpose, the application of chromatographic operations has demonstrated good results since there are simple, robust, versatile and high reproducible. However, there are still some bottlenecks associated with conventional matrices namely their low binding capacity and diffusivity for pDNA samples. Owing to these limitations, monolithic supports have emerged as interesting alternatives due to the versatility of their structural characteristics, high binding capacity and the excellent transfer mass properties. Thus, in the present project it is proposed the production and purification of pDNA NTC 7482-41H-VA2 HA with 6.471kbp expressing the influenza virus protein hemagglutinin (HA) with new and more efficient processes based on monolithic supports. With these in mind, the non-grafted CarbonylDiImidazole (CDI) monolithic column was explored in order to study the interaction behavior of different plasmids with different sizes. The biorecognition of the intact and undamaged plasmid form, the supercoiled (sc) isoform, was studied on each plasmid with different sizes (at least up to 14 kbp). The characterization of the monolithic support was also evaluated by dynamic binding capacity (DBC) manipulating different salt concentration, flow rates and pH values. The strategy applied in this work showed that the isoforms of plasmids with different sizes can be separated using the CDI monolithic disk. These results showed that it was possible to have a selective separation of the sc isoforms of different plasmids. Higher size plasmids needed a lower ammonium sulphate concentration to bind to the monolith. On the other hand, capacity studies proved that at the same flow rate, the largest plasmid seems to have a lower capacity value whereas the smallest plasmid showed the best capacity value. In addition, high salt concentrations increase the DBC. Finally, the effect of diminishing the pH also had a positive consequence in the breakthrough experiments. These results were useful for the implementation of a new chromatographic strategy based on monolithic supports. An agmatine monolithic disk was also tested in the purification of the sc isoform of a pDNAbased vaccine against influenza. This was the first application of agmatine (decarboxylated arginine) as ligand in a chromatographic process. Due to the role of this molecule in biological processes different interactions between the ligand and other biomolecules of interest can be exploited. Accordingly, two different purification strategies were used by applying either a descending ammonium sulphate or an ascending sodium chloride elution gradient. The best strategy was obtained using ammonium sulphate with a purification degree over 98 % and a recovery yield of 51.8 %. Moreover, this method presented a high binding capacity (5.656 mg/mL) and all the host impurities were significantly reduced or undetectable when compared with the injected lysate. Furthermore, the transfection efficiency of fibroblast cells using the sc pDNA purified with this strategy was also high, reaching an efficiency of 73%. All these results proved that this agmatine-functionalized monolith is a versatile column for pDNA purification. Additionally, an ion exchange interaction chromatography approach using an ethylenediamine (EDA) monolith for the purification of a sc pDNA expressing the influenza virus HA protein was successful. The applied process exhibited a significant reduction of the E. coli host impurities while achieving a sc pDNA purity degree of 97.1 % and a step yield of 47 %. Finally in vitro experiments using A549 and CHO cells were performed. A strong intracellular fluorescence was observed in the transfected CHO cells with the purified sc isoform, presenting 70.6% of transfection while A549 cells showed a weaker signal for a transfection efficiency of 61.4%. The HA expression was recognized by a mouse monoclonal antibody directed to the HA protein with high viability and high transfection efficiency. Overall, this doctoral research work revealed that monoliths have the potential to be further applied in chromatographic processes for purification of a pDNA influenza vaccine from complex lysates under the requirements of the regulatory agencies

Neuroenhancement in Military Personnel::Conceptual and Methodological Promises and Challenges

Military personnel face harsh conditions that strain their physical and mental well-being, depleting resources necessary for sustained operational performance. Future operations will impose even greater demands on soldiers in austere environments with limited support, and new training and technological approaches are essential. This report highlights the progress in cognitive neuroenhancement research, exploring techniques such as neuromodulation and neurofeedback, and emphasizes the inherent challenges and future directions in the field of cognitive neuroenhancement for selection, training, operations, and recovery

On the performance and programming of reversible molecular computers

If the 20th century was known for the computational revolution, what will the 21st be known for? Perhaps the recent strides in the nascent fields of molecular programming and biological computation will help bring about the ‘Coming Era of Nanotechnology’ promised in Drexler’s ‘Engines of Creation’. Though there is still far to go, there is much reason for optimism. This thesis examines the underlying principles needed to realise the computational aspects of such ‘engines’ in a performant way. Its main body focusses on the ways in which thermodynamics constrains the operation and design of such systems, and it ends with the proposal of a model of computation appropriate for exploiting these constraints. These thermodynamic constraints are approached from three different directions. The first considers the maximum possible aggregate performance of a system of computers of given volume, V, with a given supply of free energy. From this perspective, reversible computing is imperative in order to circumvent the Landauer limit. A result of Frank is refined and strengthened, showing that the adiabatic regime reversible computer performance is the best possible for any computer—quantum or classical. This therefore shows a universal scaling law governing the performance of compact computers of ~V^(5/6), compared to ~V^(2/3) for conventional computers. For the case of molecular computers, it is shown how to attain this bound. The second direction extends this performance analysis to the case where individual computational particles or sub-units can interact with one another. The third extends it to interactions with shared, non-computational parts of the system. It is found that accommodating these interactions in molecular computers imposes a performance penalty that undermines the earlier scaling result. Nonetheless, scaling superior to that of irreversible computers can be preserved, and appropriate mitigations and considerations are discussed. These analyses are framed in a context of molecular computation, but where possible more general computational systems are considered. The proposed model, the א-calculus, is appropriate for programming reversible molecular computers taking into account these constraints. A variety of examples and mathematical analyses accompany it. Moreover, abstract sketches of potential molecular implementations are provided. Developing these into viable schemes suitable for experimental validation will be a focus of future work

Statistical models for genome sequence mapping

In this work we present a mapper, an algorithm to find short DNA sequences in large reference texts. Our algorithm uses the standard seed-and-extend approach, utilized by most modern mappers, combined with a novel genome annotation called neighborhood annotation. The neighborhood annotation is a data structure that contains information of similarity between sequences of the same reference. Based on this annotation, we build a statistical model to aid the processes of seeding and mapping quality estimation. Overall, our algorithm achieves higher sensitivity and more accurate estimation of mapping reliability with simulated Illumina reads, at the same speed compared to the state-of-the art algorithms. The C source code of the algorithm implementation is available at http://github.com/ezorita/mapper.En este proyecto presentamos un algoritmo de mapping. Los mappers son algoritmos utilizados para encontrar secuencias cortas de ADN en textos de referencia mucho más largos. Nuestro algoritmo utiliza la técnica estándar de seed-and-extend, utilizada por la mayoria de mappers actuales, combinada con una nueva anotación del genoma: el neighborhood annotation. Esta anotación es una estructura de datos que almacena información sobre las similitudes entre las secuencias del texto de referencia. Basandonos en esta estructura, hemos diseñado un modelo estadístico que utilizamos para favorecer los procesos de seeding y de estimación de la calidad de mapping. Finalmente, hemos implementado y testeado el rendimiento de nuestro algoritmo en secuencias simuladas de Illumina. Los resultados obtenidos muestran una mejor sensitividad y estimaciones más precisas de la fiabilidad de mapping, a la misma velocidad que los mappers del estado del arte. El código fuente de la implementación en C está disponible en open-source en http://github.com/ezorita/mapper.En aquest projecte hi presentem un algoritme de mapping. Els mappers són algoritmes que s'utilitzen per trobar seqüències curtes d'ADN en textos de referència molt grans. El nostre algoritme utilitza la tècnica estàndard de seed-and-extend, utilitzada per la majoria de mappers actuals, combinada amb una nova anotació del genoma que hem anomenat neighborhood annotation. Aquesta anotació consisteix en una estructura de dades que emmagatzema informació sobre les similaritats entre les seqüències del text de referència. Basant-nos en aquesta estructura, hem dissenyat un model estadístic que utilitzem per assistir els processos de seeding i d'estimació de la qualitat de mapping. Finalment, hem implementat i mesurat el rendiment del nostre algoritme en seqüenciacions simulades d'Illumina. Els resultats obtinguts determinen millor sensitivitat i estimacions més acurades de la fiabilitat de mapping, a la mateixa velocitat que els mappers de l'estat de l'art. El codi font de la implementació en C està disponible en open-source al web http://github.com/ezorita/mapper