Particle acceleration by collisionless shocks containing large-scale magnetic-field variations

Diffusive shock acceleration at collisionless shocks is thought to be the source of many of the energetic particles observed in space. Large-scale spatial variations of the magnetic field has been shown to be important in understanding observations. The effects are complex, so here we consider a simple, illustrative model. Here, we solve numerically the Parker transport equation for a shock in the presence of large-scale sinusoidal magnetic-field variations. We demonstrate that the familiar planar-shock results can be significantly altered as a consequence of large-scale, meandering magnetic lines of force. Because perpendicular diffusion coefficient $\kappa_\perp$ is generally much smaller than parallel diffusion coefficient $\kappa_\parallel$, the energetic charged particles are trapped and preferentially accelerated along the shock front in the regions where the connection points of magnetic field lines intersecting the shock surface converge, and thus create the "hot spots" of the accelerated particles. For the regions where the connection points separate from each other, the acceleration to high energies will be suppressed. Further, the particles diffuse away from the "hot spot" regions and modify the spectra of downstream particle distribution. These features are qualitatively similar to the recent Voyager's observation in the Heliosheath. These results are potentially important for particle acceleration at shocks propagating in turbulent magnetized plasmas as well as those which contain large-scale nonplanar structures. Examples include anomalous cosmic rays accelerated by the solar wind termination shock, energetic particles observed in propagating heliospheric shocks, and galactic cosmic rays accelerated by supernova blast waves, etc.Comment: accepted to Ap

Alfa-hélix és béta-hordó fehérjék membránba ágyazódása = Assembly and folding of alpha-helix and beta-barrel membrane proteins

A pályázatban célul tűztük ki bakteriális béta-hordó és transzmembrán alfa-hélix fehérjék – különös tekintettel a V-ATPáz c alegységére – vizsgálatát. A natív c alegység hiányában a fehérje transzmembrán szegmenseivel analóg polipeptideket építettünk be lipidmembránokba, és spektroszkópiai módszerekkel vizsgáltuk szerkezetüket, a membránba épülésüket, valamint az egymással, lipidekkel és inhibitorokkal való kölcsönhatásukat. Kimutattuk, hogy a transzmembrán polipeptidek döntően alfa-hélix konformációt vesznek fel a membránban, és hogy oligomerizációra hajlamosak, továbbá azt is, hogy a c elegység negyedik hélixe (TM4) és az a alegység hetedik hélixe (TM7) között kölcsönhatás van. Megmutattuk azt is, hogy a negatívan töltött lipidek kölcsönhatása erőteljesebb a negyedik hélixszel, és hogy bizonyos V-ATPáz inhibitorok kölcsönhatnak a TM4 és a TM7 hélixekkel. A béta-hordó fehérjék közül a Fusobacterium nucleatum-ból izolált FomA fehérjét tanulmányoztuk. Meghatároztuk a fehérje termikus stabilitását, és a kitekeredéssel járó hőváltozás mértékét, továbbá azt, hogy denaturáló szerek milyen mértékben változtatják meg ezeket a paramétereket. Fluoreszcencia spektroszkópiával is követtük a hőmérséklet és a denaturáló szerek hatását. Inkubációs mérésekből információt nyertünk a fehérje kitekeredésének sebességével kapcsolatban, denaturáló szerek segítségével. Beállítottunk egy új mérési elrendezést, mellyel egy mintában egyidejűleg detektálhatók az ESR és fluoreszcencia jelek. | In this project our goal was to study bacterial beta-barrel and transmembrane alpha-helix proteins (especially the c subunit of V-ATPase). Since the native c subunit was not available, we studied synthetic polipeptides corresponding to the transmembrane domains of the protein. Spectroscopic methods were used to characterize the structure, self-assembly and molecular interactions (lipid-peptide, peptide-peptide, peptide-inhibitor) of the peptides. We showed that the peptides are highly alpha-helical in the membranes, and that they tend to form oligomers. Moreover, an interaction between the fourth helix of the c subunit (TM4) and the seventh helix of the a subunit (TM7) was proven. Our data revealed stronger interaction of the TM4 peptide with negatively charged lipids, and also that certain V-ATPase inhibitors interact with the TM4 and TM7 peptides. Among from beta-barrel proteins FomA, isolated from Fusobacterium nucleatum, was studied. We determined the thermal stability of the protein, the heat of transition related to the unfolding process, and the effects of denaturing agents on these parameters. Temperature-induced changes and the effects of denaturants were followed by fluorescence spectroscopy as well. Incubation experiments were carried out with the help of denaturants to get information concerning the speed of the unfolding process. A novel experimental setup, capable of simultaneous detection of ESR and fluorescence signals in a sample, was also developed

Vacuum Kerr-Schild metrics generated by nontwisting congruences

The Kerr-Schild pencil of metrics $\tilde g_{ab}=g_{ab}+V l_al_b$, with $g_{ab}$ and $\tilde g_{ab}$ satisfying the vacuum Einstein equations, is investigated in the case when the null vector $l$ has vanishing twist. This class of Kerr-Schild metrics contains two solutions: the Kasner metric and a metric wich can be obtained from the Kasner metric by a complex coordinate transformation. Both are limiting cases of the K\'ota-Perj\'es metrics. The base space-time is a pp-wave.Comment: 12 page

Solution of the vacuum Kerr-Schild problem

The complete solution of the vacuum Kerr-Schild equations in general relativity is presented, including the space-times with a curved background metric. The corresponding result for a flat background has been obtained by Kerr.Comment: 8 page

Early-time velocity autocorrelation for charged particles diffusion and drift in static magnetic turbulence

Using test-particle simulations, we investigate the temporal dependence of the two-point velocity correlation function for charged particles scattering in a time-independent spatially fluctuating magnetic field derived from a three-dimensional isotropic turbulence power spectrum. Such a correlation function allowed us to compute the spatial coefficients of diffusion both parallel and perpendicular to the average magnetic field. Our simulations confirm the dependence of the perpendicular diffusion coefficient on turbulence energy density and particle energy predicted previously by a model for early-time charged particle transport. Using the computed diffusion coefficients, we exploit the particle velocity autocorrelation to investigate the time-scale over which the particles "decorrelate" from the solution to the unperturbed equation of motion. Decorrelation time-scales are evaluated for parallel and perpendicular motions, including the drift of the particles from the local magnetic field line. The regimes of strong and weak magnetic turbulence are compared for various values of the ratio of the particle gyroradius to the correlation length of the magnetic turbulence. Our simulation parameters can be applied to energetic particles in the interplanetary space, cosmic rays at the supernova shocks, and cosmic-rays transport in the intergalactic medium.Comment: 10 pages, 11 figures, The Astrophyical Journal in pres

Fehérjék membránba ágyazódásának, szerveződésének és lipidekkel való kölcsönhatásának biofizikája = Biophysics of protein insertion and folding in membranes and their interaction with lipids

1. A vakuólum ATPáz (V-ATPáz). Ez a membránkötött molekuláris motor az ATP hidrolízisből nyert kémiai energia révén protonokat pumpál a membránon keresztül, ami miatt a csontritkulás potenciális terápiájában ez az egyik kulcs target enzim. Meghatároztuk szintetikus V-ATPáz gátlóanyagok membránbeli lokalizációját, ami segíti az enzimen található kötőhelyeik azonosítását. Kimutattuk, hogy a V-ATPáz c alegységét funkcionálisan helyettesíteni képes langusztából izolált membránfehérje kétértékű kation kötőhelyet tartalmaz, aminek valószínűleg szerepe van a V-ATPáz c alegységének hatos gyűrűbe való rendeződésében. 2. Fehérjék és polipeptidek membránlipidekkel való kölcsönhatása. Foszfolipid membránok összetételének és fizikai állapotának a hidrofób gramicidin A és vízoldékony lizozim antibiotikumok membrán-kötődésére, -orientációjára és termikus kitekeredésére gyakorolt hatását tanulmányoztuk. A kapott eredmények új adatokat szolgáltatnak a nem kovalens lipid-fehérje kölcsönhatások szerepére az antibiotikus folyamatokban. A membránfehérjékkel kölcsönható határfelületi és kofaktor lipidek konformációját és a kölcsönhatás sztöchiometriáját tanulmányoztuk atomi felbontásban, publikált kristályszerkezetek felhasználásával. Az eredmények fontosak a lipid-fehérje kölcsönhatás natív biomembránokban tapasztalható funkcionális jelentőségének megértése szempontjából. A munkaterv némileg módosult a szerződött pályázatból való utólagos elvonások miatt. | 1. The vacuolar proton-ATPase (V-ATPase). This membranous molecular motor uses energy from ATP hydrolysis to drive proton transfer across membranes, hence it is a key potential target enzyme in osteoporosis therapy. Synthetic V-ATPase inhibitors were located in model membranes aiding the identification of their binding sites on the enzyme. A divalent cation binding site has been identified on a membrane protein isolated from lobster that is able to functionally substitute the V-ATPase subunit c. This binding site is likely to be related to the hexameric assembly of the subunit c ring of V-ATPase. 2. Protein- and polypeptide-membrane lipid interactions. The effect of the composition and the physical state of the phospholipid bilayer on the membrane-binding, -orientation and thermal unfolding of the hydrophobic gramicidin A and the water-soluble lysozyme hydrolase antibiotics were studied. The results provide new data on the significance of non-covalent lipid-protein interactions in anti-microbial processes. The conformation and stoichiometry of both annular and co-factor lipids interacting with membrane proteins were studied at atomic resolution using published crystal structures. The results are essential for the understanding the functional significance of lipid-protein interactions in native biomembranes. The grant suffered from some post-contract fund with-drawals

No Stagnation Region Before the Heliopause at Voyager 1? Inferences From New Voyager 2 Results

We present anisotropy results for anomalous cosmic-ray (ACR) protons in the energy range $\sim$0.5-35 MeV from Cosmic Ray Subsytem (CRS) data collected during calibration roll maneuvers for the magnetometer instrument when Voyager 2 (V2) was in the inner heliosheath. We use a new technique to derive for the first time the radial component of the anisotropy vector from CRS data. We find that the CRS-derived radial solar wind speeds, when converted from the radial components of the anisotropy vectors via the Compton-Getting (C-G) effect, generally agree with those similarly-derived speeds from the Low-Energy Charged Particle experiment using 28-43 keV data. However, they often differ significantly from the radial solar wind speeds measured directly by the Plasma Science (PLS) instrument. There are both periods when the C-G-derived radial solar wind speeds are significantly higher than those measured by PLS and times when they are significantly lower. The differences are not expected nor explained, but it appears that after a few years in the heliosheath the V2 radial solar wind speeds derived from the C-G method underestimate the true speeds as the spacecraft approaches the heliopause. We discuss the implications of this observation for the stagnation region reported along the Voyager 1 trajectory as it approached the heliopause inferred using the C-G method

Lipid-fehérje kölcsönhatás és dinamika vizsgálata modell és biológiai membránokban. Egy új, nanotechnológiás, membránfehérje vizsgáló rendszer kifejlesztése. = Lipid-protein interactions, and dynamics in model and biological membranes. The development of a new experimental nano-technologic device to study structure and functioning of membrane-proteins.

Összehasonlítva a biológiai membránokban a lipid-, illetve a fehérje-dinamika, illetve a fehérjék másodlagos szerkezetváltozásainak hőmérsékletfüggését, megállapítottuk, hogy alacsony hőmérsékleti stressz körülményei között elsősorban a lipidek, magas hőmérsékleti stressz esetén pedig a fehérjék dinamika/szerkezet változásai a meghatározóak a biológiai membrán viselkedésében. (PMC Biophysics (2009) 2:1, Biochemistry (2009) 48, 10120-10128) Polielektrolitokból készített, tetszőlegesen töltött felszíneken felépített egy-molekula vastagságú kazein rétegek adszorpciójának nyomon követésével meghatároztuk a Ca-foszfát szállításáért felelős kazein micellák kialakulásának mechanizmusát. Megmutattuk, hogy a kazein micellák belsejében levő ?-kazein molekulák foszfoszeril csoportjaihoz kapcsolódnak a Ca-foszfát nanoklaszterek, amikhez a további ?-kazeinek pozitív csoportjaikkal kötődnek. Az ?-kazeinek hidrofób csoportjainak kölcsönhatása révén, kis, kb. 20 nm-es aggregátumok alakulnak ki, amelyeket a Ca-foszfát nanoklaszterek kapcsolnak össze. A micellák felszínére ?-kazein molekulák tapadnak, amik “lágyabb“ szerkezetük révén befedik azokat a pontokat az ?-kazeinek felszínén, amik a további akár ?-kazein, akár Ca-foszfát kötődéshez kellenek, és így a micella képződése befejeződik, felszínét ?-kazein molekulák borítják, amik nem érzékenyek a Ca-ionokra, mint az ?-kazein, így a micellák nem csapódnak ki. ( JBC (2010) 285, 38811-38817, Eur Biophys J(2012) 41:959-968) | Using Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, we have compared lipid and protein dynamics/structural changes as a function of the temperature in biological membranes. It has been shown that among low-temperature stress conditions the changes in the dynamics of the lipids, among high-temperature stress conditions the changes of the protein dynamics and secondary structure are dominant in the behaviour of the membranes. (PMC Biophysics (2009) 2:1, Biochemistry (2009) 48, 10120-10128) By preparing polyelectrolyte films having charged surfaces, and building onto them layer-by-layer aggregated casein-Ca-phosphate complexes, we determined the mechanism of the construction of the casein micelles, the essential components of Ca-phosphate transport in mammals. We have shown that the phosphoseryl residues on the ?-casein molecules are essential for binding the Ca-phosphate. The bound Ca-phosphate nanoclusters bind the next layer of the ?-caseins, as so on. Hydrophobic parts of the amphiphilic molecules organize ?-caseins into about 20 nm diameter aggregates, interconnected by Ca-phosphate nanoclusters. Termination of the micelle formation is achieved via the adsorption of ?-casein onto the micelle surface. Due to its “soft“ secondary structure, ?-casein can cover those parts of the ?-casein molecules, which are essential for Ca-phosphate binding and further aggregation of ?-caseins. (JBC (2010) 285, 38811-38817, Eur Biophys J(2012) 41:959-968