A Hardware Implementation Method of Multi-Objective Genetic Algorithms

CEC2006 : IEEE International Conference on Evolutionary Computation , Jul 16-21, 2006 , Vancouver, BC, CanadaMulti-objective genetic algorithms (MOGAs) are approximation techniques to solve multi-objective optimization problems. Since MOGAs search a wide variety of pareto optimal solutions at the same time, MOGAs require large computation power. In order to solve practical sizes of the multi objective optimization problems, it is desirable to design and develop a hardware implementation method for MOGAs with high search efficiency and calculation speed. In this paper, we propose a new method to easily implement MOGAs as high performance hardware circuits. In the proposed method, we adopt simple Minimal Generation Gap (MGG) model as the generation model, because it is easy to be pipelined. In order to preserve diversity of individuals, we need a special selection mechanism such as the niching method which takes large computation time to repeatedly compare superiority among all individuals in the population. In the proposed method, we developed a new selection mechanism which greatly reduces the number of comparisons among individuals, keeping diversity of individuals. Our method also includes a parallel execution architecture based on Island GA which is scalable to the number of concurrent pipelines and effective to keep diversity of individuals. We applied our method to multi-objective Knapsack Problem. As a result, we confirmed that our method has higher search efficiency than existing method

Determination and expression analysis of functional genes in Lactobacillus plantarum

In this study, the bacteriocin production of two Lactobacillus plantarum strains was investigated and their effectiveness as protective cultures for the biopreservation of turkey meat was assessed. Especially, the genetic loci for bacteriocin production of Lactobacillus plantarum strains BFE 5092 and PCS20 were completely analysed and the protective Lactobacillus plantarum BFE 5092 grew and produced bacteriocin at 8 or 10°C as well as during sessile growth on turkey meat

Scan path optimization for active beam delivery in charged particle therapy

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012De acordo com a Organização Mundial de Saúde, o cancro é uma das principais causas de morte em todo o mundo com certa de 7.6 milhões de mortes em 2008. Excluindo o cancro de pele não-melanoma foi estimado que cerca de 45% dos pacientes com cancro, se tratados, podem ser curados. Existem diferentes métodos de tratamento para o cancro sendo a cirurgia, quimioterapia e radioterapia os tratamentos padrão. A radioterapia possui um importante papel como método de tratamento do cancro, apresentando uma taxa de cura de cerca de 23% (12% se utilizada sozinha e 11% quando combinada com cirurgia ou quimioterapia). Atualmente a técnica de radioterapia dominante, conhecida como "convencional", utiliza fotões. Contudo, o interesse na utilização de aceleradores de partículas carregadas (considerando apenas partículas com massas iguais ou superiores à do protão) tem vindo a aumentar consideravelmente. Esse interesse deve-se principalmente ao facto de este tipo de partículas possuir uma curva de distribuição de dose em profundidade que apresenta um máximo ao qual se dá o nome de pico de Bragg. Antes do pico de Bragg a deposição de energia é praticamente constante, sendo que após este, decai bruscamente. Tendo em conta esta distribuição, Wilson propôs o uso de protões como técnica de alta precisão do tratamento do cancro. A terapia do cancro com partículas carregadas (protões e iões de carbono) tem vindo a mostrar um grande crescimento, sendo que atualmente já existem cerca de 38 centros no mundo onde esta técnica é utilizada. Um dos primeiros centros totalmente dedicado ao uso de partículas carregadas no tratamento do cancro é o Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO), que se situa em Itália. Neste centro é utilizada uma técnica de irradiação de tumores denominada de active scanning technique. Neste método, o tumor é dividido em "fatias" a diferentes profundidades. Em cada "fatia" é definido um conjunto de pontos que necessitam de ser irradiados de forma a obter-se, no final, uma distribuição de dose uniforme no tumor. A irradiação de cada "fatia" pode ser feita utilizando duas técnicas diferentes: o discrete scanning e o quadiscrete scanning. Na técnica de discrete scanning, o feixe de irradiação é guiado ao longo da "fatia" irradiando os pontos anteriormente definidos, sendo desligado durante a transição de pontos consecutivos. Na técnica de quasidiscrete scanning o feixe não é desligado nessas transições, levando à irradiação desnecessária das áreas onde não se encontram pontos de irradiação. Esta irradiação desnecessária, leva à deposição de uma dose extra no tumor, que senão for tida em conta pode influenciar a distribuição de dose final do tumor. Desta forma, uma optimização do caminho feito pelo feixe, pode levar a uma diminuição da dose extra. Adicionalmente, em ambas as técnicas (discrete e quasidiscrete scanning) uma optimização do caminho poderá também levar a uma diminuição do tempo de irradiação e da energia utilizada pelo equipamento. O principal objetivo desta tese foi estudar o efeito da optimização do caminho feito pelo feixe em planos de tratamento de pacientes do CNAO. Foram definidos os seguintes objetivos secundários: • Identificação de possíveis estratégias para resolução do problema proposto através do estudo da literatura corrente sobre algoritmos de optimização; • Implementação e avaliação da performance das estratégias identificadas, utilizando planos de tratamento de pacientes do CNAO; • Avaliação do efeito clínico da utilização dos métodos propostos; • Desenvolvimento de uma ferramenta capaz de optimizar o caminho percorrido pelo feixe, utilizando os métodos de optimização identificados. Esta tese encontra-se dividida em cinco capítulos. No primeiro capítulo foram introduzidos alguns conceitos sobre terapia do cancro com partículas carregadas e algoritmos de optimização. No capítulo 2 foi explicada a abordagem tomada para a resolução do problema e quais os métodos utilizados. Os resultados obtidos para os métodos propostos encontram-se no capítulo 3. Finalmente no capítulo 4 e 5 é apresentada a discussão dos resultados e as conclusões obtidas. De forma a cumprir os objetivos propostos, foram identificados dois principais algoritmos de optimização: Simulated Annealing (SA) e Algoritmos Genéticos (GAs). O SA foi anteriormente proposto por Pardo e Kang como uma possível solução para o problema identificado. Este algoritmo é baseado no processo de annealing para formação de cristais. Enquanto que os algoritmos genéticos baseiam-se no principio da sobrevivência dos mais fortes introduzido por Darwin. Tal como este principio, os GA podem ser divididos em três partes: seleção, crossover ou reprodução e mutação. Neste trabalho foram testados diferentes métodos de crossover e mutação, sendo que o método que ofereceu melhores resultados (uma convergência mais rápida para uma "boa" solução) foi um algoritmo genético híbrido - Hybrid Genetic Algorithm with Heuristics (HyGA). O HyGA e o SA foram utilizados para optimização dos caminhos feitos pelo feixe de irradiação em 10 planos de tratamento de pacientes do CNAO. Em comparação com o HyGA, o SA apresentou em média, caminhos mais longos para "fatias" com pequenas quantidades de pontos de irradiação e para "fatias" onde estes se encontravam distribuídos de forma não uniforme. Contudo, os dois algoritmos obtiveram caminhos mais curtos que o sistema de planeamento do CNAO (CNAO’s TPS). Estes algoritmos também evitaram a presença de interseções nos seus caminhos e a irradiação de áreas onde não existiam pontos de irradiação. De forma a evitar a irradiação de áreas onde não existem pontos de irradiação, no CNAO é utilizado um equipamento (o chopper), que deflecte o feixe na zona de extração, evitando a irradiação da "fatia". No CNAO, o chopper é utilizado quando a distância entre pontos consecutivos é maior que 2 cm. Tendo em conta a existência do chopper, o HyGA foi implementado com um método de clustering. Este método agrupa os pontos de irradiação numa "fatia" em diferentes grupos (clusters) e optimiza o caminho percorrido pelo feixe em cada grupo de forma independente. Neste método o chopper foi utilizado quando ocorresse uma transição entre clusters. As implicações clinicas dos métodos propostos (SA e HyGA) foram avaliadas tendo em conta o número de partículas entregues, o número de partículas desperdiçadas devido ao uso do chopper e o número de vezes que este foi utilizado. O estudo do número de partículas entregues foi feito recorrendo a um pencil beam algorithm. Relativamente ao número de partículas entregues o SA e o HyGA, apesar de apresentarem caminhos mais curtos, não reduziram o número de partículas entregues nos caminhos calculados com o CNAO’s TPS. Contudo, o mesmo não foi verificado para o HyGA com clustering, que obteve uma redução de cerca de 2%. Uma das implicações da utilização do chopper é um aumento no número de partículas desperdiçadas pelo equipamento. O HyGA e o SA obtiveram uma redução média de 86% e 93% no número de partículas desperdiçadas com o CNAO’s TPS, enquanto que com o HyGA com clustering foi registado um aumento médio de cerca de 41%. Tendo em conta os resultados obtidos, foi possível concluir que os algoritmos de optimização propostos poderão ser úteis para duas diferentes finalidades. A primeira é na redução da energia gasta pelo equipamento. No CNAO, isto pode ser alcançado utilizando os algoritmos SA e o HyGA, pois irão reduzir o número de partículas desperdiçadas. Enquanto que para centros onde o chopper não seja utilizado, estes algoritmos obterão caminhos mais curtos levando a uma redução no funcionamento do equipamento. A segunda finalidade é na redução na dose extra no paciente, que pode ser reduzida no CNAO utilizando o HyGA com clustering. Noutros centros esta redução será devida ao encurtamento dos caminhos percorridos pelo feixe de irradiação. Visto que cada um dos diferentes métodos de optimização apresenta desvantagens e vantagens, foi desenvolvida uma ferramenta que oferece a possibilidade do cálculo individual de cada "fatia" utilizando os diferentes algoritmos de optimização: SA, HyGA, HyGA com clustering e CNAO’s TPS. Em suma, como trabalho futuro deverá ser estudado o efeito que a dose extra, entregue pelos algoritmos SA e HyGA, terá num paciente.The CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica) performs charged particle therapy with an active scanning technique called quasidiscrete scanning. In active scanning the target volume is divided into isoenergy slices in which a set of irradiation spots is defined. The irradiation beam is then steered through the slice, delivering the number of particles prescribed to each spot. The beam is never turned off during the transition between irradiation spots, which leads to an extra dose of radiation delivered during these transitions. Optimization of the scan path for each slice is crucial for a reduction in the transit dose. The main aim of this work was to study the performance and the clinical implications of different optimization algorithms in ten real treatment plans from CNAO patients. The optimization algorithms used are Simulated Annealing and Genetic Algorithms. The performances of different genetic algorithm methods were studied, leading to the selection of the Hybrid Genetic Algorithm with Heuristics (HyGA). The SA and HyGA produced on average shorter paths than the current CNAO treatment plan system. At CNAO, in order to reduce the extra dose delivered to the patient, a device is used (the chopper), that deflects the beam out of the extraction line, when the transition between consecutive spots is greater than 2cm. To take advantage of this device, a clustering method was implemented with the HyGA, which assumed that the chopper was used during the transition between clusters. This method was able to reduce by 2% the number of particles delivered with the CNAO treatment plan system. One of the drawbacks of using the chopper is the high percentage of particles. The SA and HyGA were able to reduce the particles wasted significantly. However, they presented an increase of 3% and 5% in the particles delivered with the CNAO treatment plan system

Identificação de novos reguladores da fidelidade da síntese proteica

Doutoramento em BiomedicinaProtein synthesis is central to life and is being intensively studied at various levels. The exception is mRNA translational fidelity whose study has been hampered by technical difficulties in detecting amino acid misincorporations in proteins. Few genes have so far been associated to the control of protein synthesis fidelity and it is unclear how many genes control this biological process. We investigated the role of RNA modification by RNA modifying enzymes (RNAmods) in protein synthesis efficiency and accuracy. Our hypothesis was that RNAmods that modify tRNA nucleosides (tRNAmods) have a significant impact on protein synthesis through modulation of codonanticodon interactions. To address this issue, we focused our work on tRNAmods involved in the modification of tRNA anticodons. The biology of these enzymes is still poorly understood, but they are involved in RNA processing, stability and function and their deregulation is associated with cancer, neurodegenerative, metabolic and other diseases. We have set up a yeast genetic screen and used mass-spectrometry methods to determine the role of tRNAmods on proteome homeostasis. Our work identified a subgroup of yeast tRNAmods that play essential roles in protein synthesis fidelity and folding. The genes that encode insoluble proteins isolated from yeast cells lacking U34 modification were enriched in codon sites that are decoded by the hypomodified tRNAs. These aggregated proteins also participate in specific biological processes, suggesting that tRNAmods are linked to specific physiological pathways. Interestingly, we detected amino acid misincorporations at the codon sites decoded by the anticodons of the hypomodified tRNAs, demonstrating that tRNA U34 modifications control translational error rate.A síntese proteica é central para a vida e tem sido extensivamente estudada a vários níveis. Contudo, o estudo da fidelidade da tradução do mRNA tem progredido lentamente devido a dificuldades técnicas na deteção de incorporações incorretas de aminoácidos nas proteínas. Poucos genes têm sido associados com o controlo da fidelidade da síntese proteica e não é evidente quais os genes que controlam este processo biológico. Nesta tese investigámos o papel da modificação dos nucleósidos do RNA na eficiência e precisão da síntese proteica. A nossa hipótese é que as enzimas que modificam nucleósidos do tRNA (tRNAmods) têm um impacto significativo na síntese proteica através da modulação das interações codão-anticodão. A biologia das tRNAmods e das modificações do tRNA são ainda pouco conhecidas, mas estão envolvidas na estabilidade e função do RNA e mutações nos seus genes causam doenças neurodegenerativas, metabólicas, cancro, entre outras. Neste projeto realizámos um rastreio genético em levedura com o objetivo de identificar tRNAmods que asseguram a homeostase do proteoma (proteostase) e usámos espectrometria de massa para clarificar o papel das tRNAmods na fidelidade da síntese proteica. Os resultados do estudo genético mostram que um sub-grupo de tRNAmods envolvidas na modificação de nucleósidos do anticodão do tRNA são essenciais para manter a estabilidade do proteoma. Outras tRNAmods estudadas não produziram impactos visíveis na proteostase. Os genes de proteínas agregadas que isolámos a partir de células de levedura com tRNAs hipomodificados são enriquecidos em codões descodificados por estes tRNAs. Os nossos dados mostram também que tais proteínas participam em processos biológicos específicos e têm níveis de aminoácidos errados mais elevados que as células wild-type. Estes dados mostram que certas modificações do tRNA são essenciais para a fisiologia celular, estabilidade do proteoma e fidelidade da síntese proteica

Identification and characterization of novel regulatory small RNAs in Deinococcus radiodurans

Gene expression regulation mechanisms during stress recovery are ubiquitous across all organisms. Some organisms have evolved more robust and distinct regulatory systems to survive exposures of extreme conditions. For instance, Deinococcus radiodurans is one of the most radioresistive organisms that have been identified. It can withstand 15,000 Gray of gamma radiation, which is 5,000 times of human and 250 times of E. coli. Many studies have been done to decipher the radioresistance mechanisms of D. radiodurans. However, most analysis with the genome and proteome are not conclusive. Although a recent study suggested that the small molecules that protect the proteome of D. radiodurans under irradiation are a key to its radioresistance, the mechanisms of gene regulation under irradiation are still unclear. In this study, we have introduced small non-coding RNAs (sRNA) as potential regulators in the radioresistance mechanisms. In bacteria, sRNAs have been identified in multiple species and have been shown to play essential roles in responsive mechanisms to environmental stresses. A key property of sRNAs is their ability to up or down regulate global metabolic pathways in response to lethal environmental signals. The versatility and specificity of sRNA regulation make it highly relevant for developing engineering applications. Since very little about sRNAs is known or discovered in D. radiodurans, we have used bioinformatics algorithms to analyze genomics patterns of sRNAs coding regions in 13 bacterial species to develop a pipeline and have identified novel transcripts in bacteria based on the conservation level and size of the intergenic regions. For example, alone with computation predictions, we found 40 novel transcripts in Mycobacteria smegmatis and Mycobacteria bovis. The combination of this bioinformatics approach and experimental verification has led us to identify 41 sRNAs in D. radiodurans, and many of them show differential expression during recovery from exposures to various environmental stresses. Among them, one transcript Dsr2 showed a unique expression pattern under ionizing radiation and the deletion mutant has a reduced survival rate under irradiation. We designed multiple experiments to verify the regulatory networks of Dsr2, including HITS-CLIP analysis, transcriptome analysis and electrophoresis mobility shift assay. We have found 14 mRNAs that have direct interaction with Dsr2 sRNA and many of them have important functions related stress response. For example, PprM protein has been verified as a modulator of PprA protein, which activates DNA end-repair under stresses. This pathway is also regulated by PprI but the regulatory mechanism of PprM was previously unclear. We found Dsr2 is able to bind with pprM and the transcriptome analysis suggested its expression level is correlated with Dsr2 expression. Dsr2 was also shown to have interactions with many ribosomal proteins and translation initiation factors. In summary, our work provides insight and evidence of how non-coding transcripts regulate radioresistance mechanisms in D. radiodurans, and how bioinformatics analysis can lead us to the discovery of more regulatory transcripts in bacteria of interestChemical Engineerin

Sexual selection and population divergence I. the influence of socially flexible cuticular hydrocarbon expression in male field crickets (Teleogryllus oceanicus).

This is the peer reviewed version of the article which has been published in final form at DOI: 10.1111/evo.12839.© 2015 The Author(s). Evolution © 2015 The Society for the Study of Evolution.Debates about how coevolution of sexual traits and preferences might promote evolutionary diversification have permeated speciation research for over a century. Recent work demonstrates that the expression of such traits can be sensitive to variation in the social environment. Here we examined social flexibility in a sexually selected male trait - cuticular hydrocarbon (CHC) profiles - in the field cricket Teleogryllus oceanicus and tested whether population genetic divergence predicts the extent or direction of social flexibility in allopatric populations. We manipulated male crickets' social environments during rearing and then characterised CHC profiles. CHC signatures varied considerably across populations and also in response to the social environment, but our prediction that increased social flexibility would be selected in more recently founded populations exposed to fluctuating demographic environments was unsupported. Furthermore, models examining the influence of drift and selection failed to support a role of sexual selection in driving population divergence in CHC profiles. Variation in social environments might alter the dynamics of sexual selection, but our results align with theoretical predictions that the role social flexibility plays in modulating evolutionary divergence depends critically on whether responses to variation in the social environment are homogeneous across populations, or whether gene-by-social-environment interactions occur. This article is protected by copyright. All rights reserved.Natural Environment Research Council (NERC)University of California Pacific Rim Research GrantRoyal SocietyBiotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC)Erasmus Exchang

Sexual selection and population divergence I. The influence of socially flexible cuticular hydrocarbon expression in male field crickets (Teleogryllus oceanicus)

Debates about how coevolution of sexual traits and preferences might promote evolutionary diversification have permeated speciation research for over a century. Recent work demonstrates that the expression of such traits can be sensitive to variation in the social environment. Here we examined social flexibility in a sexually selected male trait – cuticular hydrocarbon (CHC) profiles – in the field cricket Teleogryllus oceanicus and tested whether population genetic divergence predicts the extent or direction of social flexibility in allopatric populations. We manipulated male crickets’ social environments during rearing and then characterised CHC profiles. CHC signatures varied considerably across populations and also in response to the social environment, but our prediction that increased social flexibility would be selected in more recently founded populations exposed to fluctuating demographic environments was unsupported. Furthermore, models examining the influence of drift and selection failed to support a role of sexual selection in driving population divergence in CHC profiles. Variation in social environments might alter the dynamics of sexual selection, but our results align with theoretical predictions that the role social flexibility plays in modulating evolutionary divergence depends critically on whether responses to variation in the social environment are homogeneous across populations, or whether gene-by-social-environment interactions occur.PostprintPeer reviewe

Nuclear and cytoplasmic genetic variation in Picea: DNA markers for evaluating past migration, introgression and evolutionary history

Mitochondrial and chloroplast haplotypes were identified in range-wide populations of white (Picea glauca), black (P. mariana ) and red spruce (P. rubens). The chloroplast genome exhibited more intraspecific variation than the mitochondrial genome. Red spruce displayed the most total chloroplast genetic diversity (H T = 0.52). Neighbor-joining analysis arranged the chloroplast haplotypes into three monophyletic groups that were nearly 100% species-specific. These results strongly refute a previously proposed progenitor/derivative relationship of black/red spruce. Red and black spruce were estimated to have diverged from their common ancestor ∼0.6--3.5 million years ago. Mitochondrial diversity detected in black spruce was attributed to interspecific hybridization, estimated to have taken place during the Holocene epoch (≥4000 years ago). White spruce mitochondrial haplotypes detected in multiple black spruce populations indicated that unidirectional introgressive hybridization has occurred between these two species. An east-west divide and opposing clines of chloroplast haplotypes in black spruce are consistent with leptokurtic dispersal out of either (1) a southeast glacial refugium of North America or (2) a small hypothetical northwestern refugium. Some individual markers within cytoplasmic and nuclear genomes are species-specific. Some of these single nucleotide polymorphisms are appropriate to identify spruce macrofossils recovered from eastern North American lake cores. Since white, black and red spruce have differing climate tolerances, this would enable paleoclimatologists to track the migration routes of the individual spruce species during the last ice age and infer more precise climate estimates for eastern North America. Agarose gel electrophoresis, Southern blot and hybridization suggested that authentically ancient DNA survived in spruce macrofossils from 10--20,000 year old sediments of Browns Pond, Virginia. A robust species phylogeny of the Picea is desirable to answer multiple questions about the history of the genus\u27 biogeography. A phylogenetic study of sixteen North American and Eurasian Picea species was conducted utilizing DNA sequences of the chloroplast trnK intron and the mitochondrial nad1 intron 2. The topologies of inferred trees varied significantly, in particular to the placement of P. omorika, P. mexicana and P. glauca . Inter-species hybridization and introgression are discussed as possible reasons behind such incongruencies

Hardware acceleration of DNA pattern matching using analog resistive CAMs

DNA pattern matching is essential for many widely used bioinformatics applications. Disease diagnosis is one of these applications since analyzing changes in DNA sequences can increase our understanding of possible genetic diseases. The remarkable growth in the size of DNA datasets has resulted in challenges in discovering DNA patterns efficiently in terms of run time and power consumption. In this paper, we propose an efficient pipelined hardware accelerator that determines the chance of the occurrence of repeat-expansion diseases using DNA pattern matching. The proposed design parallelizes the DNA pattern matching task using associative memory realized with analog content-addressable memory and implements an algorithm that returns the maximum number of consecutive occurrences of a specific pattern within a DNA sequence. We fully implement all the required hardware circuits with PTM 45-nm technology, and we evaluate the proposed architecture on a practical human DNA dataset. The results show that our design is energy-efficient and accelerates the DNA pattern matching task by more than 100× compared to the approaches described in the literature

Inhibition of the shade avoidance response by formation of non-DNA binding bHLH heterodimers.

In shade-intolerant plants such as Arabidopsis, a reduction in the red/far-red (R/FR) ratio, indicative of competition from other plants, triggers a suite of responses known as the shade avoidance syndrome (SAS). The phytochrome photoreceptors measure the R/FR ratio and control the SAS. The phytochrome-interacting factors 4 and 5 (PIF4 and PIF5) are stabilized in the shade and are required for a full SAS, whereas the related bHLH factor HFR1 (long hypocotyl in FR light) is transcriptionally induced by shade and inhibits this response. Here we show that HFR1 interacts with PIF4 and PIF5 and limits their capacity to induce the expression of shade marker genes and to promote elongation growth. HFR1 directly inhibits these PIFs by forming non-DNA-binding heterodimers with PIF4 and PIF5. Our data indicate that PIF4 and PIF5 promote SAS by directly binding to G-boxes present in the promoter of shade marker genes, but their action is limited later in the shade when HFR1 accumulates and forms non-DNA-binding heterodimers. This negative feedback loop is important to limit the response of plants to shade