Smart and Secure CAV Networks Empowered by AI-Enabled Blockchain: Next Frontier for Intelligent Safe-Driving Assessment

Securing safe-driving for connected and autonomous vehicles (CAVs) continues to be a widespread concern despite various sophisticated functions delivered by artificial intelligence for in-vehicle devices. Besides, diverse malicious network attacks become ubiquitous along with the worldwide implementation of the Internet of Vehicles, which exposes a range of reliability and privacy threats for managing data in CAV networks. Combined with the fact that the capability of existing CAVs in handling intensive computation tasks is limited, this implies a need for designing an efficient assessment system to guarantee autonomous driving safety without compromising data security. Motivated by this, in this article, we propose a novel framework, namely Blockchain-enabled intElligent Safe-driving assessmenT (BEST), that offers a smart and reliable approach for conducting safe driving supervision while protecting vehicular information. Specifically, a promising solution that exploits a long short-term memory model is introduced to assess the safety level of the moving CAVs. Then, we investigate how a distributed blockchain obtains adequate trustworthiness and robustness for CAV data by adopting a byzantine fault tolerance-based delegated proof-of-stake consensus mechanism. Simulation results demonstrate that our presented BEST gains better data credibility with a higher prediction accuracy for vehicular safety assessment when compared with existing schemes. Finally, we discuss several open challenges that need to be addressed in future CAV networks.Comment: 8 pages, 6 figures. This paper has been accepted for publication by IEEE Networ

Digital Wiretap Warrant: Improving the security of ETSI Lawful Interception

Lawful Interception (LI) of data communications is an essential tool for Law Enforcement Agencies (LEA) in order to investigate criminal activities carried out or coordinated by means of Internet. However, the ability to secretly monitor the activities of citizens also has a great impact on civil rights. Therefore, democratic societies must prevent abuse and ensure that LI is only employed in specific cases with justifiable grounds or a probable cause. Nowadays, in many countries each interception must be authorized by a wiretap warrant, usually issued by a judge. However, this wiretap warrant is merely an administrative document that should be checked by the network or service operator before enabling the monitoring of its customers, whose communications are later handed over to a LEA in plaintext. This paper proposes the idea of employing a Digital Wiretap Warrant (DWW), which further protects the civil liberties, security and privacy of LI by ensuring that monitoring devices can only be enabled with a valid DWW, and by encrypting the captured data so only the authorized LEA is able to decrypt those communications. Moreover, in the proposed DWW framework all digital evidence is securely time-stamped and signed, thus guaranteeing that it has not been tampered with, and that a proper chain of custody has been met. In particular this paper proposes how to apply the DWW concept to the lawful interception framework defined by the ETSI LI Technical Committee, and evaluates how the additional security mechanisms could impact the performance and storage costs of a LI platform.The work presented in this paper has been funded by the INDECT project (Ref 218086) of the 7th EU Framework Programme. The authors would also like to acknowledge the Spanish-funded CRAMnet (Grant no. TEC2012-38362-C03-01)

Metabolic-derived functions during adaptation of E. coli to the mammalian gut

Tese de mestrado, Biologia Molecular e Genética, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016Mammals harbour a cosmos of microbes in their gastrointestinal tract throughout their life. This dense polymicrobial network is dominated by commensal bacteria that live mostly in harmony with their host. Disruption of this homeostasis is detrimental to nutrient acquisition and overall health of the host. Colonisation is the first step in persistence and/or infection in the GI tract, it is thus essential to understand how in vivo bacteria obtain energy, carbon and nitrogen to sustain their growth and resist elimination. This work focused on a particular species of enteric bacteria, by studying the best characterized Escherichia coli strain. Use of this commensal strain (K-12 MG1655) has been the most prevalent in recent studies, it is well characterised at the genetic level and has been studied in the intestinal environment. This worked was founded on the hypothesis that the establishment of a metabolic landscape compatible with the state and composition of the intestinal environment is an important pressure for E. coli, highlighting from an evolutionary scale the fundamental importance of metabolism for intestinal colonisation. Through the characterization of the genetic basis and the evolutionary and physiological effects of the predominant beneficial mutations during adaptation to the intestinal environment of mice, this work presents mechanistic evidence and novel insights on how bacteria can establish and persist in specific ecological settings of this complex ecosystem.O trato gastrointestinal de mamíferos incorpora uma comunidade abundante e diversa de microrganismos, vulgarmente designada microbiota. Além de seres eucariotas e archaea, as bactérias constituem a vasta maioria da microbiota com números que se aproximam do total de células do próprio hospedeiro. Estes seres são transmitidos verticalmente da progenitora para os descendentes, acompanhando-os desde os primeiros dias de desenvolvimento. Esta fase constituída por uma microbiota intestinal mais simples assume, portanto, um papel importante no subsequente desenvolvimento de uma microbiota mais complexa, mas também na aprendizagem nutricional e imunitária de animais. Devido à abundância de nutrientes disponibilizados e à maior densidade energética da alimentação pós-desmame, o ecosistema intestinal, praticamente despopulado à nascença é extremamente propenso à colonisação por enterobactérias que aí se multiplicam e persistem em enormes densidades populacionais. A alteração da dieta à base de oligosacáridos derivados do leite para carbohidratos de origem vegetal, causam uma alteração abrupta nas bactérias presentes no intestino à medida que estas são substituídas por espécies mais aptas a utilizar os nutrientes presentes. Daí em diante, um vasto número de espécies de duas linhas filogenéticas em particular, colonisam praticamente todo este nicho. Estas bactérias estabelecem redes de interações que se admite serem de extrema complexidade devido à especificidade de cada espécie, compreendendo interações negativas como a produção de compostos antimicrobianos que inibem outras espécies ou interações positivas em que os produtos metabólicos finais de uma espécie servem de alimento a outras, por exemplo. De acordo com a hipótese nicho-nutriente, são principalmente as interações metabólicas entre cada espécie e o perfil nutricional do intestino que dita a composição da microbiota. Especificamente, o sucesso de uma espécie está dependente da capacidade de divisão ser superior à taxa a que é eliminada, utilizando para isso um ou um número baixo de nutrientes limitantes no intestino. Um resultado importante advém deste fenômeno. Qualquer espécie invasora tem necessariamente de ultrapassar esta barreira de forma a atingir uma população de dimensões suficientes para causar efeitos adversos ao hospedeiro, no caso de estirpes patogénicas. Para tal, estirpes invasoras ocupam nichos disponíveis ou competem com espécies comensais com preferências nutricionais coincidentes. Alternativamente, várias espécies patogénicas ou oportunistas disrompem a estabilidade da microbiota comensal através da indução de inflamação ou tiram vantagem do uso de antibióticos que abrem novos nichos previamente ocupados, de forma a colonizarem o seu hospedeiro. É, portanto, importante compreender como certas espécies subsistem no ambiente intestinal, não só estirpes que prejudicam a saúde do seu hospedeiro, mas também aquelas que, competindo por nichos semelhantes, o previnem. Ainda assim, as bactérias são organismos extremamente adaptáveis ao seu ambiente. Através da evolução experimental é possível monitorizar in vivo a sua adaptação ao ambiente intestinal e identificar e medir a importância relativa de certos mecanismos fisiológicos, a longo prazo. Este trabalho, incidiu sobre a adaptação de Escherichia coli ao trato intestinal de ratos. A estirpe K-12 MG1655 tem um genótipo bem caracterizado e constitui uma espécie com um metabolismo particularmente versátil, com vários exemplos de estirpes tanto patogénicas como comensais, sendo, portanto, um modelo de interesse neste ambiente. Após um mês de colonização in vivo, a base genética de mutações que presumivelmente teriam tornado a estirpe ancestral mais apta neste ambiente, foi identificada por sequenciação genómica. Neste trabalho, estendemos a caracterização das bases fisiológicas nos mutantes evoluídos e estabelecemos uma comparação entre a adaptação in vivo na presença e ausência de microbiota, de forma a explorar a importância relativa de certos mecanismos especificamente dependentes do ambiente intestinal a colonizar. Caracterizámos a adaptação desta estirpe de E. coli na ausência de outros membros da microbiota como tendo seguido um trajeto evolutivo no sentido de aumentar a capacidade de utilização de aminoácidos. Dos vários mutantes que suportam esta hipótese, selecionámos a mutação mais abundante e mais vezes identificada entre as várias experiências independentes, a disrupção do gene lrp. Através da comparação com uma estirpe mutante de referência mostrámos que inserções neste gene em mutantes evoluídos levou predominantemente à abolição da sua função, o que propusemos ter levado à sua vantagem seletiva: estas mutações levaram à perda de capacidade para crescer num meio em que a degradação de glicina, para o qual Lrp é ativador, seria necessária, visto a estirpe referência com lrp deletado também não crescer, ao contrário da estirpe ancestral. A partir deste fenótipo, desenvolvemos aqui um método high-throughput para a identificação de mutações no lrp. Através deste método, mostrámos que a cinética de adaptação desta mutação ocorreu posteriormente ao primeiro passo adaptativo já conhecido, com efeitos seletivos mais baixos e estabilizando a níveis intermédios na população. O padrão adaptativo que elucidamos é reminiscente do efeito de interferência clonal, em que mutantes lrp competem com outras mutações benéficas, limitando assim a fixação da população mutante lrp, embora seja importante caracterizar outros alvos adaptativos. A hipótese alternativa que propomos para explicar a estabilização a níveis intermédios da população mutante para o lrp seria que o nicho ocupado por estes é esgotado pela sua expansão, limitando assim a fixação deste alelo. Em concordância, observámos que quando uma estirpe a priori com lrp deletado foi introduzida in vivo, só foi selecionada após dez dias, o que coincide temporalmente com a expansão de novo e sugere que inicialmente a composição metabólica intestinal é alterada pela colonização, que posteriormente favorece mutantes com perda de função do lrp. Este gene está extensamente caracterizado no seu papel de regulador transcricional, particularmente para metabolismo de aminoácidos. De modo a encontrar um meio em que os mutantes lrp tivessem vantagem em relação à estirpe ancestral determinou-se o crescimento em vários meios. Através da análise das redes metabólicas reguladas pelo Lrp, previmos que especificamente para crescimento com os aminoácidos Alanina, Serina e Treonina, a perda de função do lrp fosse vantajosa. De facto, mostramos que na presença destes 3 substratos os mutantes lrp evoluídos têm vantagem seletiva, embora não num perfil de aminoácidos mais diverso, apontando para a importância do perfil nutricional especifico, principalmente no que diz respeito às diferentes proporções de aminoacidos. Na presença da microbiota, a análise funcional das mutações benéficas aponta para um trajeto adaptativo praticamente distinto do da mono colonização. Neste caso a maior parte das mutações apontam para um aumento da capacidade de utilização de açucares ou compostos semelhantes, o que pode advir da presença da microbiota. Na presença de uma microbiota abundante que também é capaz de consumir aminoácidos, é possível que as funções degradativas de outros membros da microbiota levem neste caso à disponibilidade de carbohidratos simples que E. coli consegue utilizar. A dependência pelo fornecimento de nutrientes por outras espécies, terá tornado o uso destes de uma forma energeticamente eficiente, crucial para o fitness de E. coli. Com esta hipótese, utilizámos duas mutações benéficas identificadas como correspondendo a genes funcionalmente relacionados com respiração anaeróbia para estudar a hipótese que o seu fitness seria mais elevado em condições anaeróbias. Dois mutantes com inserções na região regulatória dos operões dcuBfumB e focApflB, relacionados com a produção e transporte de fumarato e formato, respetivamente, foram competidos in vitro contra a estirpe ancestral, utilizando um meio que se aproximasse da composição de carbohidratos preferenciais in vivo. Estava já descrito que estes mutantes teriam uma maior expressão transcricional de cada operão. Mostrámos que nestas condições, fenotipicamente, os mutantes evoluídos apresentam uma vantagem seletiva, que terá resultado de uma maior produção e respiração de fumarato e formato, respetivamente. Um aceitador de eletrões alternativo foi também testado com a hipótese de que teria efeitos que diferenciassem os dois mutantes. Em suma, o presente trabalho reporta evidências de vários tipos de landscapes metabólicos que E. coli assume durante adaptação ao seu ambiente nativo. Quando é a primeira a colonizar, a ausência de degradação de fontes de carbono complexas favorece a utilização de aminoácidos. Na presença de microbiota, aminoácidos tornam-se limitantes e o fornecimento cruzado fornece carbohidratos simples, cuja respiração anaeróbia se torna essencial. Acima de tudo, os estudos aqui referidos demonstram um grande paralelismo na adaptação da E. coli ao intestino. A reprodutibilidade evolutiva no ambiente complexo do intestino mostra que a evolução paralela não está restrita aos ambientes de laboratório, mas pode também ser comum em ambientes “naturais”, de vasta complexidade. Por si só, este facto é de salientar

Bioinformatics and Machine Learning for Cancer Biology

Cancer is a leading cause of death worldwide, claiming millions of lives each year. Cancer biology is an essential research field to understand how cancer develops, evolves, and responds to therapy. By taking advantage of a series of “omics” technologies (e.g., genomics, transcriptomics, and epigenomics), computational methods in bioinformatics and machine learning can help scientists and researchers to decipher the complexity of cancer heterogeneity, tumorigenesis, and anticancer drug discovery. Particularly, bioinformatics enables the systematic interrogation and analysis of cancer from various perspectives, including genetics, epigenetics, signaling networks, cellular behavior, clinical manifestation, and epidemiology. Moreover, thanks to the influx of next-generation sequencing (NGS) data in the postgenomic era and multiple landmark cancer-focused projects, such as The Cancer Genome Atlas (TCGA) and Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium (CPTAC), machine learning has a uniquely advantageous role in boosting data-driven cancer research and unraveling novel methods for the prognosis, prediction, and treatment of cancer

Secure Communication in Disaster Scenarios

Während Naturkatastrophen oder terroristischer Anschläge ist die bestehende Kommunikationsinfrastruktur häufig überlastet oder fällt komplett aus. In diesen Situationen können mobile Geräte mithilfe von drahtloser ad-hoc- und unterbrechungstoleranter Vernetzung miteinander verbunden werden, um ein Notfall-Kommunikationssystem für Zivilisten und Rettungsdienste einzurichten. Falls verfügbar, kann eine Verbindung zu Cloud-Diensten im Internet eine wertvolle Hilfe im Krisen- und Katastrophenmanagement sein. Solche Kommunikationssysteme bergen jedoch ernsthafte Sicherheitsrisiken, da Angreifer versuchen könnten, vertrauliche Daten zu stehlen, gefälschte Benachrichtigungen von Notfalldiensten einzuspeisen oder Denial-of-Service (DoS) Angriffe durchzuführen. Diese Dissertation schlägt neue Ansätze zur Kommunikation in Notfallnetzen von mobilen Geräten vor, die von der Kommunikation zwischen Mobilfunkgeräten bis zu Cloud-Diensten auf Servern im Internet reichen. Durch die Nutzung dieser Ansätze werden die Sicherheit der Geräte-zu-Geräte-Kommunikation, die Sicherheit von Notfall-Apps auf mobilen Geräten und die Sicherheit von Server-Systemen für Cloud-Dienste verbessert

Evaluating the biogeochemistry and microbial function in the Athabasca Oil Sands region: Understanding natural baselines for reclamation end-points

Understanding the biogeochemical processes governed by the complex metabolic pathways of microbial communities is paramount in understanding overall ecosystem services. Their ability to adapt to the world’s harshest environments allows them to thrive in otherwise hostile environments. The Athabasca Oil Sands of Northern Alberta, Canada, constitutes one of the largest oil sands deposits in the world. This uniquely hydrocarbon-rich environment is a diverse and complex ecosystem governed by strong anthropogenic (i.e. industrial mine sites) and natural environmental gradients (i.e. substantial bitumen outcroppings). The economically significant oil sands deposit produces millions of barrels of bitumen daily, with waste materials (i.e. sands, clays, residual bitumen etc.) pumped into large settling basins called tailings ponds. The Government of Alberta requires oil sands operators to return their mine sites to a reclaimed landscape after mining has completed, thus leaving an enormous task of determining appropriate reclamation procedures, target end-points and water quality targets. However, what remains unknown is an understanding of the baseline biogeochemical fingerprint of the natural McMurray Formation (MF) – the geological strata constituting the mineable bitumen ore. Additionally, there has yet to be any studies focusing on the microbial function in the MF, a vital research gap that would provide insight into how the indigenous microbial communities deal with this ubiquitous, natural hydrocarbon presence. The research comprising the chapters of this dissertation, are the first to reveal the active, in-situ metabolism of the bacterial communities within the MF. Novel metatranscriptomics approaches from in-situ samples are used to characterize the microbial metabolic processes governing these ecosystems, to better understand what may constitute viable ecosystem reclamation end-points. Functional characterizations are compared to hydrocarbon signatures and redox state of the various study sites. Results indicate a unique microbial consortium with both energy and xenobiotic metabolic pathways tailored to the complex hydrocarbon substrate of the MF. Further, the sensitivity of this metatranscriptomics approach was tested and validated as a means of tracking hydrocarbon exposure down a river continuum. Clusters of closely related co-expressing genes revealed patterns of expression indicative of exposure to the hydrocarbons of the MF, providing interesting methodologies to track pollution exposure in a hydrodynamic context. Finally, a field-scale mesocosm study was used to track the biogeochemical evolution of tailings following a novel detoxification treatment and further compare back to the natural reference sites also studied. Treatments caused the reduction of toxic organics and the promotion of microbial taxa adept at metabolizing complex organics. These cumulative insights into the natural and anthropogenically impacted ecosystems of the Athabasca Oil Sands region provides much needed characterizations of reference/baseline environments from which to guide best management practices and gauge reclamation success

Can General Practitioners manage mental disorders in primary care? A partially randomised, pragmatic, cluster trial

BackgroundFor a decade, experts have suggested integrating mental health care into primary care to help bridge mental health Treatment Gap. General Practitioners (GPs) are the first port-of-call for many patients with mental ill-health. In Indonesia, the WHO mhGAP is being systematically introduced to its network of 10,000 primary care clinics as an add-on mental health training for pairs of GPs and Nurses, since the end of 2015. In one of 34 provinces, there exists an integrated care model: the co-location of clinical psychologists in primary care clinics. This trial evaluates patient outcomes among those provided mental health care by GPs with those treated by clinical psychologists in primary care.MethodsIn this partially-randomised, pragmatic, two-arm cluster non-inferiority trial, 14 primary care clinics were assigned to receive the WHO mhGAP training and 14 clinics with the co-location framework were assigned to the Specialist arm. Participants (patients) were blinded to the existence of the other pathway, and outcome assessors were blinded to group assignment.All adult primary care patients who screened positive for psychiatric morbidity were eligible. GPs offered psychosocial and/or pharmacological interventions and Clinical Psychologists offered psychosocial interventions. The primary outcome was health and social functioning as measured by the HoNOS and secondary outcomes include disability measured by WHODAS 2.0, health-related quality of life measured by EQ-5D-3L, and resource use and costs evaluated from a health services perspective, at six months.Results153 patients completed the outcome assessment following GP care alongside 141 patients following Clinical Psychologists care. Outcomes of GP care were proven to be statistically not inferior to Clinical Psychologists in reducing symptoms of social and physical impairment, reducing disability, and improving health-related quality of life at six months. Economic analyses indicate lower costs and better outcomes in the Specialist arm and suggest a 50% probability of WHO mhGAP framework being cost-effective at the Indonesian willingness to pay threshold per QALY.ConclusionGeneral Practitioners supported by nurses in primary care clinics could effectively manage mild to moderate mental health issues commonly found among primary care patients. They provide non-stigmatising mental health care within community context, helping to reduce the mental health Treatment Gap.Trial registrationClinicalTrials.gov NCT0270049