Conformational Exchange Processes in Biological Systems: Detection by Solid-State NMR

International audienceWe review recent advances in methodologies to study microseconds-to-milliseconds exchange processes in biological molecules using magic-angle spinning solid-state nuclear magnetic resonance (MAS ssNMR) spectroscopy. The particularities of MAS ssNMR, as compared to solution-state NMR, are elucidated using numerical simulations and experimental data. These simulations reveal the potential of MAS NMR to provide detailed insight into short-lived conformations of biological molecules. Recent studies of conformational exchange dynamics in microcrystalline ubiquitin are discussed

Studying Dynamics by Magic-Angle Spinning Solid-State NMR Spectroscopy: Principles and Applications to Biomolecules

International audienceMagic-angle spinning solid-state NMR spectroscopy is an important technique to study mo- lecular structure, dynamics and interactions, and is rapidly gaining importance in biomolecu- lar sciences. Here we provide an overview of experimental approaches to study molecular dy- namics by MAS solid-state NMR, with an emphasis on the underlying theoretical concepts and differences of MAS solid-state NMR compared to solution-state NMR. The theoretical foundations of nuclear spin relaxation are revisited, focusing on the particularities of spin re- laxation in solid samples under magic-angle spinning. We discuss the range of validity of Redfield theory, as well as the inherent multi-exponential behavior of relaxation in solids. Ex- perimental challenges for measuring relaxation parameters in MAS solid-state NMR and a few recently proposed relaxation approaches are discussed, which provide information about time scales and amplitudes of motions ranging from picoseconds to milliseconds. We also discuss the theoretical basis and experimental measurements of anisotropic interactions (chemical-shift anisotropies, dipolar and quadrupolar couplings), which give direct infor- mation about the amplitude of motions. The potential of combining relaxation data with such measurements of dynamically-averaged anisotropic interactions is discussed. Although the focus of this review is on the theoretical foundations of dynamics studies rather than their ap- plication, we close by discussing a small number of recent dynamics studies, where the dy- namic properties of proteins in crystals are compared to those in solution

Повышение степени обоснованности принимаемых решений в системе распознавания за счет использования априорной информации

An approach is proposed for solution of the problem for increasing the effectiveness of the recognition of the car number plate by using a priori information. Are proposed scheme of additional measurements, sequence of priori data statistical analysis and decision rule. An example of the proposed approach in the system recognition, built on the basis of the DVR is reviewed.Предложен подход для решения задачи повышения эффективности системы распознавания номера автомобиля за счёт использования априорной информации. Предложены схема проведения дополнительных измерений, последовательность статистического анализа априорных данных и правило принятия решений. Рассмотрен пример реализации предлагаемого подхода в системе распознавания, построенной на базе видеорегистратора

ПРИМЕНЕНИЕ БАЙЕСОВСКОГО ПОДХОДА ПОСТРОЕНИЯ ЛОГИСТИЧЕСКОЙ РЕГРЕССИИ ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

When solving the problems of predicting the durability of aircraft structures elements in case of a bird strike, in a collision with large hail, foreign objects, it is necessary to know the dependence of the probability of the barrier penetration on the characteristics of the impactor and the impact speed. The results of the experiments have the form of a dichotomous variable having only two possible values (the barrier is punched or not), so the required dependence can be represented in the form of a logistic regression given by the integral function of the logistic distribution. To evaluate the parameters of logistic regression with a small number of experiments, it is advisable to use the Bayesian approach. One of the components of the Bayesian parameter estimation is the calculation of the likelihood function. The resulting expressions for the likelihood function and its logarithm were used to estimate the logistic regression parameters using the maximum likelihood method, which was realized by Newton method. The calculated iterative scheme of the maximum likelihood method is given. Based on the results of experimental data, estimates are obtained that are used to compare with the results obtained by the Bayesian approach. A special case is considered – the Bayesian estimation of the shift parameter of the logistic curve for a given value of the scale parameter, and also a general case – the estimation of the shift and scale parameters. A normal distribution is used as a priori distribution for the shift parameter, and a classical (two-parameter) gamma distribution is used for the scale parameter. Point estimation of logistic regression parameters was carried out by the modal value of a posteriori distribution. Using the modal rather than the mean value, made it possible to significantly reduce the amount of calculations due to the fact that in this case there is no need to calculate the integral probability in the denominator of the Bayesian formula. При решении задач прогнозирования стойкости элементов авиационных конструкций при столкновении с птицами, крупным градом, посторонними предметами необходимо знать зависимость вероятности пробития преграды от характеристик ударника и скорости удара. Результаты опытов имеют вид дихотомической переменной, имеющей лишь два возможных значения (преграда пробита или нет), поэтому искомая зависимость может быть представлена в виде логистической регрессии, задаваемой интегральной функцией логистического распределения. Для оценки параметров логистической регрессии при малом количестве опытов целесообразно использовать байесовский подход. Одной из составляющих байесовской оценки параметров является расчёт функции правдоподобия. Полученные выражения функции правдоподобия и её логарифма использовались для оценки параметров логистической регрессии методом максимального правдоподобия, который реализован с использованием метода Ньютона. Приведена расчётная итерационная схема метода максимального правдоподобия. По результатам опытных данных получены оценки, которые используются для сравнения с результатами, полученными с применением байесовского подхода. Рассмотрен частный случай – байесовская оценка параметра сдвига логистической кривой при заданном значении параметра масштаба, а также общий случай – оценка параметров сдвига и масштаба. В качестве априорного распределения для параметра сдвига использовано нормальное распределение, а для параметра масштаба – классическое (двухпараметрическое) гамма-распределение. Точечная оценка параметров логистической регрессии осуществлялась по модальному значению апостериорного распределения. Использование модального, а не среднего значения, позволило значительно сократить объём расчётов за счёт того, что в этом случае нет необходимости вычислять интегральную вероятность в знаменателе формулы Байеса.

Оптимальная коррекция сроков выполнения работ по проекту при возникновении отклонения от сетевого графика

An algorithm of optimal correction of the work plan in the event of a deviation from the network schedule is proposed. Requirement within to perform activities in a given period of time with minimal additional resources involved to accelerate the work. The correction algorithm is based on using dynamic programming method taking into account the problem inherent feature when calculating the target function.Предложен алгоритм поиска оптимальной коррекции плана работ в случае возникновения отставания от графика. Требованием является выполнение работ в заданный срок при минимальных дополнительно привлекаемых ресурсах для ускорения работ. Решение основано на использовании аппарата динамического программирования с учётом присущих задаче особенностей при вычислении целевой функции. Предложенный подход проиллюстрирован численным примером

Probing RNA dynamics via longitudinal exchange and CPMG relaxation dispersion NMR spectroscopy using a sensitive 13C-methyl label

The refolding kinetics of bistable RNA sequences were studied in unperturbed equilibrium via 13C exchange NMR spectroscopy. For this purpose a straightforward labeling technique was elaborated using a 2′-13C-methoxy uridine modification, which was prepared by a two-step synthesis and introduced into RNA using standard protocols. Using 13C longitudinal exchange NMR spectroscopy the refolding kinetics of a 20 nt bistable RNA were characterized at temperatures between 298 and 310 K, yielding the enthalpy and entropy differences between the conformers at equilibrium and the activation energy of the refolding process. The kinetics of a more stable 32 nt bistable RNA could be analyzed by the same approach at elevated temperatures, i.e. at 314 and 316 K. Finally, the dynamics of a multi-stable RNA able to fold into two hairpin- and a pseudo-knotted conformation was studied by 13C relaxation dispersion NMR spectroscopy