36
Abstracts of talks (in alphabetic order)

Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

Abstracts of talks  (in alphabetic order)  

   

Page 2: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 2 of 36

  

 

 

Cost and precision in stochastic thermodynamics 

 

Andre Cardoso Barato 

Max‐Planck Institut für die Physik komplexer Systeme 

 

Stochastic Thermodynamics is a theoretical framework under development that generalizes standard thermodynamics to systems that can be small and far from equilibrium. Examples of such systems are biological molecules  like molecular motors, artificial molecular pumps, colloidal  particles,  and  small  electronic  systems.    The  main  result  of  the  field  is  the fluctuation  theorem, which  is  a  symmetry  on  the  probability  distribution  of  a  fluctuating entropy that implies the second law. In this talk, we discuss  the main concepts of stochastic thermodynamics and introduce some of our findings on the relation 

 

between energetic cost and precision.  In particular, the novel   thermodynamic uncertainty relation  establishes  a  universal  minimal  energetic  cost  of  precision  associated  with  a quantity  like the output of chemical reaction (or any other generic thermodynamic flux). In simple words,  an uncertainty of 1%  associated with  such quantity hasa minimal universal cost of 20.000 k_BT. Other key  contributions that will be presented in this talk are:possible applications of this thermodynamic uncertainty relation,  bounds on current fluctuations,the relation  between  cost  and  precision  in  periodically  driven  systems,  and  a  bound  on  the  number of coherent oscillations in biochemical systems.    

Page 3: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 3 of 36

 

 

Talk 1: 

Basics of slow relaxation, glasses and kinetically constrained dynamics 

 

Juan Garrahan 

School of Physics and Astronomy, University of Nottingham 

 

Glass formers ‐ such as supercooled liquids and dense colloids ‐ are the paradigm in physical sciences of systems displaying slow complex relaxation and eventual dynamical arrest. I will describe the basic phenomenology of these systems and the key questions of what we call the glass transition problem.  I will discuss theoretical perspectives,  in particular those that see  the  glass  transition  as  a  fundamentally  dynamical  (as  opposed  to  thermodynamical) phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will  also  describe methods  based  on  the  theory  of  large  deviations  that  are  particularly suited  to  study  systems where  the  complexity  lies  in  their  dynamics  rather  than  in  their statics. 

 

 

Talk 2:  

Fluctuation properties of counting observables and their first passage times in stochastic systems 

 

Juan Garrahan 

School of Physics and Astronomy, University of Nottingham 

 

I will  extend  recent  ideas  and  results  about  general  lower  bounds  to  the  fluctuations  of currents in non‐equilibrium systems ‐ such as so‐called thermodynamic uncertainty relations ‐  to  counting  observables,  that  is,  dynamical  observables  that  are  time‐symmetric  and strictly  non‐decreasing  in  time.  I will  discuss  how  these  ideas  and  results  ‐  obtained  via dynamical large deviation methods ‐ can be further extended to consider the fluctuations of first passage times.    

Page 4: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 4 of 36

 

   

Stochastic Thermodynamics of Learning 

 

Sebastian Goldt 

Institut de Physique Théorique, Université Paris‐Saclay 

 

Unravelling  the  physical  limits  of  information  processing  is  an  important  goal  of  non‐equilibrium  statistical  physics.  It  is  motivated  by  the  search  for  fundamental  limits  of computation, such as Landauer's bound on  the minimal work  required  to erase one bit of information.  Further  inspiration  comes  from  biology, where we would  like  to  understand what makes single cells or the human brain so (energy‐)efficient at processing  information.  In  this  talk,  we  analyse  the  thermodynamic  efficiency  of  learning.  We  first  discuss  the interplay  of  information  processing  and  dissipation  from  the  perspective  of  stochastic thermodynamics. We  then  show  that  the dissipation of any physical  system, e.g. a neural network, bounds  the  information  that  it  can  infer  from data or  learn  from a  teacher. We discuss a number of examples along the way and outline directions for future research. 

    

Page 5: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 5 of 36

 

Talk 1:  

Actin 101: An Introduction to the actin cytoskeleton, its properties and its decline during ageing 

 

Campbell Gourlay 

School of Biosciences, University of Kent 

 

 

Actin is an essential protein that has played a crucial role in the elaboration of cell shape and function  during  the  diversification  of  life.  Its  controlled  assembly  into  dynamic  filament systems  has  seen  actin  incorporated  into  the  functionality  of  almost  every  cellular compartment. Efficient actin assembly  is however a process  that  requires energy and  the maintenance  of  a  healthy  cellular  environment.    In  this  session  I will  introduce  the  actin filament system, its physical properties and functionality and describe how the cytoskeleton becomes corrupted during the process of cell ageing.  

 

 

 

Talk 2:  

Killer Actin 

 

Campbell Gourlay 

School of Biosciences, University of Kent 

 

Actin  filaments  are  highly  dynamic  and must  assemble  and  disassemble  in  response  to specific cellular cues. A failure to regulate actin in this way is observed as cells age, leading to inappropriate behaviour and cell death. Actin dysfunction is therefore linked to a variety of disease states,  including many that emerge as we age. To determine how actin dysfunction affects cells during the ageing process we have made use of the simple eukaryotic cell model Saccharomyces  cerevisiae,  a  yeast  commonly  used  to  make  bear,  wine  and  bread.  S. cerevisiae contains a  fully  functional actin network  that underpins  cell  function but which becomes corrupted as the organism ages. Yeast are an attractive model for this work as they contain a single actin encoding gene and are easy to manipulate. Our research indicates that a  loss of  control of  the dynamic properties of actin  filaments  leads  to a  failure of  cells  to regulate signaling networks that are essential for cell health and viability, a so‐called loss of homeostasis. Similar findings in higher eukaryotes indicate that a loss of control of actin also leads to a loss of homeostasis that may contribute to a number of age related diseases. Our findings indicate that corruption of the actin filament network may play an important role in the process of ageing. 

 

 

   

Page 6: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 6 of 36

 

 

Systems Biology of single‐cell aging ‐ Periodic silencing dynamics control cell 

aging 

 

Nan Hao 

UC San Diego Section of Molecular Biology, Division of Biological Sciences, UCSD 

Program of Bioinformatics and Systems Biology, UCSD, BioCircuits Institute, UCSD 

 

 

Abstract: Cellular aging  is a universal biological phenomenon, but  the mechanisms  remain largely unclear. There has been steady progress  in  identifying aging‐related  factors such as reactive oxygen  species and genomic  instability, yet an emerging  challenge  is  to  reconcile the  contributions  of  these  factors with  the  fact  that  genetically  identical  cells  can  age  at significantly different rates. Such complexity requires single‐cell analyses designed to unravel the  interplay  of  aging  dynamics  and  cell‐to‐cell  variability.  Here  we  use  microfluidic technologies to track the replicative aging of single yeast cells and reveal that the temporal patterns of heterochromatin  silencing  loss  regulate  cellular  life  span. We  found  that  cells show periodic waves of silencing loss in the heterochromatic ribosomal DNA during the early phases of aging,  followed by sustained  loss of silencing preceding cell death.  Isogenic cells have different  lengths of the early  intermittent silencing phase that  largely determine their final life spans. We found that the intermittent silencing dynamics is important for longevity and  is dependent on the conserved Sir2 deacetylase, whereas either sustained silencing or sustained  loss  of  silencing  shortens  life  span.  These  findings  reveal  that  the  temporal patterns  of  a  key molecular  process  can  directly  influence  cellular  aging,  and  thus  could provide guidance for the design of temporally controlled strategies to extend life span. 

  

    

Page 7: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 7 of 36

 

 

Talk1:  

Ageing as a consequence of evolutionary adaptation 

 

Henrik Jeldtoft Jensen 

Imperial College, London, South Kensington Campus, SW7 2AZ, UK 

Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology, Yokohama, Japan 

 

The  individual  based  Tangled Nature model  of  evolutionary  ecology  (see  e.g.  [1,  2,  3])  is discussed with an emphasis on how the adaptation to the co‐evolutionary selection pressure changes the systemic properties of the ecosystems. We will e.g. discuss how two dynamical trends  evolve  in  parallel:  the  strongly  occupied  types  become more  correlated while  the system as a whole de‐correlates[4] and how the balance between bottom‐up and top‐down information ow change with the age of the system [5]. 

 

 

References: [1] H..J. Jensen and E. Arcaute. Complexity, collective e_ects and modelling of ecosystems: formation, function and stability. [2] Nikolaj Becker and Paolo Sibani. Evolution and non‐equilibrium physics: A  study of  the tangled nature model. EPL (Europhysics Letters), 105(1):18005, 2014. [3]  Kim  Christensen,  Simone  A.  di  Collobiano, Matt  Hall,  and  Henrik  J.  Jensen.  Tangled nature: A model of evolutionary ecology. J. Theor. Biol., 216:73{84, 2002. [4]  H.J.  Jensen  D.  Jones  and  P.  Sibani. Mutual  information  in  the  tangled  nature model. Ecological Modelling, 221:400{404, 2010. [5] Katharina Brinck and Henrik Jeldtoft Jensen. Bottom‐up versus top‐down control and the transfer of information in complex model ecosystems. Submitted to J Theo. Bio.   

    

Page 8: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 8 of 36

 

 

Talk2: 

Universal features of Ageing through Record Dynamics 

 

Henrik Jeldtoft Jensen 

Imperial College, London, South Kensington Campus, SW7 2AZ, UK 

Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology, Yokohama, Japan 

 

The statistics of records do not depend on the underlying probability distribution as long as independence can be assumed. We will discuss how this may explain a remarkable  lack of temperature dependence of the magnetic relaxation rate  in superconductors[1, 2] and also suggest  that  the  Omori  after  shock  law  for  earthquakes  may  be  related.  To  illustrate interesting  open  questions  we  look  at  logarithmic  time  dependence  of  the  on‐set  of synchronisation and as an example that may not be caused by record dynamics[3]. 

 References:   [1] P.E. Anderson, H.J. Jensen, L.P. Oliveria, and P. Sibani. Evolution in complex systems. Complexity, 10:49{56, 2004. [2] L.P. Oliveira, H.J. Jensen, M. Nicodemi, and P. Sibani. Record dynamics and the observed temperature plateau in the magnetic creep rate of type ii superconductors. Phys. Rev. B., 71:104526, 2005. [3] G.  Benkoe  and  H.J.  Jensen.  Logarithmically  slow  onset  of  synchronisation.  J.  Phys.  A: Math. Theor., 43:165102, 2010. 

 

   

      

Page 9: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 9 of 36

 

 

 

Induction of cellular senescence under various stress conditions 

 

Feng Liu 

Institute of Biophysics, Nanjing University, China 

 

 We  explore  the  dynamic  mechanisms  for  induction  of  cellular  senescence  upon  stress signals. On one hand, telomeres are specialized structures protecting chromosomes against genome  instability;  telomeres  shorten  with  cell  division,  and  replicative  senescence  is induced when  telomeres are badly eroded. We proposed an  integrated model associating telomere loss with senescence trigger, and characterized the dynamics of telomere shorting and the p53‐centered regulatory network. We show that senescence is initiated in a switch‐like manner when both  the shortest  telomere becomes uncapped and  the TRF2‐ATM‐p53‐Siah1 positive  feedback  loop  is switched on.   On the other hand, when cells are subject to DNA  damage,  hypoxia,  glucose  starvations  or  activation  of  oncogenes,  normal  cells may undergo  cell‐cycle  arrest,  senescence  or  apoptosis,  depending  on  the  severity  of  stress signals. For each of the above signals, we built distinct models of cellular signaling pathways and associated the system dynamics with cellular output. We elucidated how different cell fates  are  triggered  and maintained  and  how  p53  and  p21  play  a  critical  role  in  inducing cellular senescence. 

 References:  Q.‐H. Zhang, X.‐J. Tian, F. Liu* and W. Wang* (2014).  A switch‐like dynamic mechanism for the initiation of replicative senescence. FEBS Lett. 588, 4369‐4374. X. Tian, B. Huang, X.‐P. Zhang, M. Lu, F. Liu*, J.N. Onuchic* and W. Wang* (2017) Modeling the response of a tumor‐suppressive network to mitogenic and oncogenic signals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114, 5337‐5342. 

  

 

    

Page 10: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 10 of 36

 

 

Unified thermodynamic uncertainty relations in linear response 

 

Katarzyna Macieszczak 

Cavendish Laboratory, University of Cambridge 

 

Thermodynamic uncertainty relations (TURs) refer to recently established relations between the  relative  uncertainty  of  time‐integrated  currents  and  entropy  production  in  non‐equilibrium  systems.  For  small  perturbations  away  from  equilibrium,  linear  response  (LR) theory provides the natural framework to study generic non‐equilibrium processes. Here we use  LR  to  derive  TURs  in  a  straightforward  and  unified  way.  Our  approach  allows  to generalise  TURs  to  systems without  local  time‐reversal  symmetry,  including  for  example scattering transport, and periodically‐driven classical and quantum systems. We find that for the case of broken time‐reversal, the bounds on the relative uncertainty are controlled both by dissipation and by a parameter encoding the asymmetry of the Onsager matrix. 

    

Page 11: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 11 of 36

 

 

On the fate of dynamical systems under a trade‐off between costs and precision 

 

Maximilian Voit and Hildegard Meyer‐Ortmanns 

Physics and Earth Sciences, Jacobs University Bremen, P.O.Box 750561, 28725 Bremen, Germany 

 

We consider a  toy   model  for analyzing  the  influence of a  fundamental  trade‐off between costs and precision on the dynamical performance of a system. An essential characteristic of the dynamics  is  a  repetitive process  that  should  run  at high precision, here  chosen  as  an iterated reproduction of a bitstring. The trade‐off is implemented implicitly by assuming that the reproduction  is  inherently error‐prone and defective.  It consumes energy that depends on the required precision. Without repair, the bitstring gets either randomized, or the finite accessible energy reservoir gets depleted before all original  information gets  lost  that was stored in the initial bitstring. When the reproduction process is combined with repair, errors are corrected with a certain probability as soon as they exceed a tolerated threshold. Also error  correction  consumes energy.  It  is  assumed  that energy  for  repair  is  taken  from  the same finite reservoir as energy for reproduction. The reservoir can be refilled from time to time with the same amount, but energy for repair  is at the expense of the precision of the subsequent  reproduction.  So  it may  come  as  a  surprise  that  it  is  possible  to  sustain  the reproduction process without exceeding  the  tolerated error  threshold.  The  conditions  for this to happen are derived from the bifurcation diagram of a discrete map that describes the time evolution of errors. When these conditions are violated, the fate of the system is either a lack of energy supply for further reproduction, since all energy gets absorbed by repair, or errors accumulate. This fate seems unavoidable when also repair is subject to the trade‐off and gets less effective in the course of time, unless energy would be invested in the repair of repair. 

 

    

Page 12: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 12 of 36

 

   

Talk 1:  

An overview of the phenomenology of physical aging 

 

Michel Pleimling 

Virginia Tech Blacksburg University 

 

Physical aging  scaling  is encountered  in numerous  systems with  slow dynamics  [1].  In  this talk  I  introduce  the  phenomenology  of  physical  aging  and  show  that  many  of  the characteristic  features  of  physical  aging  can  be  understood  through  the  investigation  of simple coarsening systems. Dynamical scaling of two‐time quantities  like the autoresponse and autocorrelation functions  is discussed for systems with a single time‐dependent  length scale. 

This work was  supported  by  the  U.S.  National  Science  Foundation  through  grants  DMR‐0904999, DMR‐1205309, and DMR‐1606814. 

[1] M. Henkel and M. Pleimling, Non‐Equilibrium Phase Transitions, Volume 2: Ageing and Dynamical Scaling Far From Equilibrium (Springer, Heidelberg, 2010). 

 

 

 

Talk 2: 

Physical aging in materials: from vortex matter to skyrmion systems 

 

Michel Pleimling 

Virginia Tech Blacksburg University 

 

In this talk  I discuss physical aging  in two types of systems with slow, glassy‐like dynamics: interacting magnetic flux lines in type‐II superconductors [1] and interacting skyrmion matter [2].  In a previously equilibrated system, either the temperature  is suddenly changed or the magnetic field  is  instantaneously altered. The subsequent aging properties are  investigated in  samples with  either  randomly  distributed  point‐like  or  (for  the  vortex  lines)  extended columnar defects, which allows  to distinguish    the  complex  relaxation  features  that  result from either type of pinning centers.Two‐time correlation functions are analyzed to study the non‐linear stochastic relaxation dynamics in the aging regime.  

This work was supported by the U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, 

Division of Materials Sciences and Engineering, under Grant No. DE‐FG02‐09ER46613. 

 

[1] H. Assi, H. Chaturvedi, U. Dobramysl, M. Pleimling, and U. C. Täuber, Phys. Rev. E 92, 052124 (2015) 

[2] B. L. Brown, U. C. Täuber, and M. Pleimling, Phys. Rev. B 97, 020405(R) (2018) 

 

 

Page 13: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 13 of 36

 

 

Talk 1:  

Running Histone Code on a Chromatin Computer  

 

Sonja J. Prohaska Computational EvoDevo Group, University of Leipzig, Leipzig,Germany 

Interdisciplinary Centre for Bioinformatics, University of Leipzig, Leipzig, Germany Santa Fe Institute of Complex Systems, Santa Fe, NM, USA 

 

Several molecular mechanisms  are  responsible  for  epigenetic  regulation,  a  process  that involves  the  establishment,  change  and maintenance  of  a  genome‐wide  gene  expression pattern  and  its  faithful  transfer  to  the  daughter  cells  during  cell  division.  One  of  these mechanisms is the histone modification system (HMS). 

Genome‐wide  studies  of  histone modifications  are  commonly  based  on  ChIP‐seq,  a  high throughput sequencing method and the subsequent bioinformatics analysis. Large data sets have been generated over  the past  year. However,  a deeper understanding of epigenetic regulation and, in particular, its dynamics is still lacking. To complement the common data‐driven  approaches we  have  developed  a  simulation  tool  that  allows  us  to  study  histone modification dynamics in a toy HMS. 

Initial  clues  for  a  plausible  mechanism  resulted  from  our  study  on  the  phylogenetic distribution of HMS components across all domains of  life  [1]. We could devise a plausible scenario  for  the  evolutionary  origin  of  the  histone modification  system  and  propose  that some modifications  can  be  viewed  as  informational  “bits", which  do  not  exert  a  direct, physico‐chemical effect by themselves but associate with the appropriate “reader" domain‐containing proteins  that  take  in  influence on gene expression. This  inspired us  to view  the HMS as a Turing machine‐like computer, that we refer to as \chromatin computer". 

Th main part of  the  talk will  focus on  the rule‐based stochastic simulation system  that we developed  to  characterize  the  dynamic  behavior  of  the  “chromatin  computer"  [2]. Conceptually, we equated a chemical modification  reaction with a  string  rewrite  rule. The core of the simulation system  is based on Gillespie's algorithm. Therefore, each simulation represents one possible solution of the master equation, i.e. a trajectory in the state space. I will present our preliminary results on the behavior of a toy HMS required to perform well on the reconstruction problem. 

To  conclude,  I  will  discuss  pros  and  cons  of  our  "Chromatin  Computer"  model  and  its potential implications in biological aging of information. 

 [1] Sonja J. Prohaska, Peter F. Stadler, and David C. Krakauer. Innovation in gene regulation: the case of chromatin computation. Journal of theoretical biology 265.1 (2010): 27‐44. [2]  Christian  Arnold,  Peter  F.  Stadler,  and  Sonja  J.  Prohaska.  Chromatin  computation: Epigenetic  inheritance  as  a pattern  reconstruction problem.  Journal of  theoretical biology 336 (2013): 61‐74. 

 

   

Page 14: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 14 of 36

 

 

Talk 2:  

Epigenetics: Regulation of a Special Kind 

 

Sonja J. Prohaska Computational EvoDevo Group, University of Leipzig, Leipzig,Germany 

Interdisciplinary Centre for Bioinformatics, University of Leipzig, Leipzig, Germany Santa Fe Institute of Complex Systems, Santa Fe, NM, USA 

 

Genes  and,  to  a  small  extent,  environmental  factors  have  been  conceived  as  the determinants of phenotypic characteristics of single cells and complex organisms. However, how  the  genotype  is  translated  into  the  phenotype  bringing  about  several  hundreds  of dierent cell types and many more transient cell states in humans, for example, is still poorly understood. These days, "epigenetics" is viewed as the Rosetta stone for solving this central biological puzzle. 

In  this  tutorial,  I will  first motivate  the  relevance of epigenetics  in medical  and biological research. As a central regulatory mechanism  it plays a major role  in many diseases ranging from  rare  (epi)genetic  disorders  to  civilization  diseases,  such  as  diabetes  and  cancer. Furthermore, it has been proposed that epigenetics intervenes with genetics in response to external  influences,  such  as  lifestyle  and  eating  behavior.  Also  cellular  aging  has  its epigenetic  hallmarks.  In  consequence,  researchers  and  the  general  public,  have  high expectations  concerning  advances  in  the  field  of  epigenetics  and  its  application  in  health care. 

Second,  I will  introduce  the audience  to  the mechanisms underlying epigenetic regulation. More explicitly,  I will address questions about  the origin,  function and general role of  two distinct  epigenetic  mechanisms,  DNA  methylation  and  histone  modifications.  From  a molecular point of view, epigenetics  is a  layer of chemical modifications sitting "on top of" the  DNA  regulating  when  and  how  genes  are  expressed.  As  such,  they  are  changing dynamically on a  lifetime scale. Both molecular mechanisms result  in modification patterns along  the  genome  that  strongly  suggest  a  role  in  canalization  of  cell  differentiation  from pluripotent  stem  cells  to  terminally  differentiated  cells  during  development,  and establishment and maintenance of  cell  identity. However,  they  seem  to have a  variety of auxiliary functions in, e.g., the distinction of self and foreign DNA and in DNA repair. 

In  the  third  and  last  part,  I will  explain  the mechanism  and  components  of  the  histone modification  system  in greater molecular detail. While  this will be  textbook knowledge  to some extent,  it will give the necessary background for the associated research talk I will be giving.  In  addition,  I will  present  some  calculations,  ideas  and  questions  concerning  the complexity of the histone modification system. 

    

Page 15: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 15 of 36

 

Talk 1: 

Experimental Measurement of Information‐Content in Nonequilibrium Systems 

 

Fèlix Ritort 

Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Barcelona and Ciber‐BBN of Biomaterials and 

Nanomedicine, ISCIII, Madrid, Spain 

 

Biology  is  intrinsically  noisy  at  all  levels,  from  molecules  to  cells,  tissues,  organs, communities and ecosystems. While thermodynamic processes in ordinary matter are driven by  free‐energy  minimization,  living  matter  and  biology  delineate  a  fascinating nonequilibrium  state  predominantly  governed  by  information  flows  through  all organizational  levels. Whereas we  know  how  to measure  energy  and  entropy  in  physical systems we have poor knowledge about measuring  information‐content  in general. Recent developments  in  the  fields of  stochastic  thermodynamics and  thermodynamic‐information feedback combined with single molecule experiments show the way to define  information‐content  in nonequilibrium systems.  In this talk  I will describe how to measure  information‐content  in  two  classes  of  nonequilibrium  systems.  First,  I will  introduce  the  Continuous Maxwell Demon,  a  new  paradigm  of  information‐to‐energy  conversion,  and  demonstrate how work extraction beats the Landauer  limit without violating the second  law. Next,  I will demonstrate  the  validity  of  a  fluctuation  theorem  in  nonequilibrium  systems  under continuous‐time  feedback  and  show  how  to  measure  information‐content  in  such conditions. Second, I will introduce a mutational ensemble of DNA hairpin folders and show how  to measure  information‐content  in  this  context.  A  definition  of  information‐content applicable  to  generic  disordered  populations  is  proposed.  All  results  are  experimentally verified in single molecule pulling experiments. 

    

Page 16: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 16 of 36

 

 

Talk2: 

Q‐stat thermodynamics: a new perspective on non‐equilibrium phenomena 

 

Fèlix Ritort 

Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Barcelona and Ciber‐BBN of Biomaterials and 

Nanomedicine, ISCIII, Madrid, Spain 

 

Nonequilibrium  pervades  nature.  From  living  cells  to  the  expanding  universe  virtually  all energy  transformation  processes  in  nature  occur  in  nonequilibrium  conditions  [1].  In  this regard thermodynamic equilibrium should be seen as an approximation to describe energy transformations  in nature, certainly a very good one  in many cases. Yet, how  to  leave  the safe  grounds  of  equilibrium  thermodynamics  adventuring  the  nonequilibrium  realm  by retaining  universal  features  characteristic  of  equilibrium  systems  without  loosing  the predictive power of thermodynamics? In this talk I will introduce Q‐stat thermodynamics as a  new  theoretical  approach  to  characterize  energy  transformation  processes  in nonequilibrium  systems  [2,3]:  when  observed  at  twodifferent  arbitrary  times, nonequilibrium  systems  tend  to  partially  equilibrate  over  the  subspace  of  configurations with mutual  two‐times  correlation  equal  to Q  [3].  I will  present  theoretical  calculations, simulations  and  experimental  results  in  small  systems  [4,5],  from  single molecules  to  red blood cells, testing the validity and showing the power of Q‐stat thermodynamics in physics and beyond. 

 [1] F. Ritort, Nonequilibrium fluctuations in small systems: from physics to biology, Advances in Chemical Physics, 137, 31‐123 (2008). Ed. Stuart. A. Rice, Wiley publications [2]  A.  Crisanti,  M.  Picco  and  F.  Ritort,  Fluctuation  relation  for  weakly  ergodic  systems, Physical Review Letters, 110 (2013) 080601. [3]  A.  Crisanti, M.  Picco  and  F.  Ritort, Derivation  of  the  spin‐glass  order  parameter  from stochastic thermodynamics, Physical Review E, 97 (2018) 052103 [4]  F. Ritort,  Single molecule experiments  in biological physics: methods  and  applications, Journal of Physics C (Condensed Matter),18 (2006) R531‐R583 [5] E. Dieterich, J. Camuñas‐Soler, M. Ribezzi‐Crivellari, U. Seifert and F. Ritort. Single‐molecule measurement of the effective temperature in non‐equilibrium steady states. Nature Physics, 11 (2015) 971‐977 

 

     

Page 17: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 17 of 36

 

 

   

How the aging circadian clock affects our daily rhythms 

 

J.H.T. Rohling 

Leiden University Medical Center, Department of Cell and Chemical Biology, Laboratory for Neurophysiology Leiden, the Netherlands 

 

The elderly are known  to  show disturbed  sleep‐wake patterns  (Van Someren, 2000). They experience problems falling asleep, frequently awake during the night and have short naps during the day. These compromised rhythms over the day are associated with higher chance of the occurrence of diseases, even Alzheimer’s disease. Our sleep‐wake patterns are for a large part controlled by our internal circadian clock. Restoring the clock rhythm in the elderly may  also  restore  sleep‐wake patterns  (Van  Someren, 2000),  and understanding  the  aging process  for  this  clock may  increase  our  understanding  of  the  disturbances  in  sleep‐wake patterns. 

The circadian clock, which is located in the suprachiasmatic nuclei (SCN) and drives the daily 24‐hour  rhythms  in our body,  is  functionally dependent on emergent network properties. While the ability of individual SCN neurons to produce 24‐hour rhythms is a cell‐autonomous property, the ability of the SCN to respond to light, to adjust to seasons and to synchronize after  a  jet‐lag  is  critically  dependent  upon  the  state  of  the  neuronal  network.  The synchronized  network  output  regulates  all  daily  rhythms  in  our  body  and  is  heavily dependent on the interactions between the neurons and the network topology of the clock.  

Our group has shown that the neurons themselves and the neuronal network of the SCN are altered  in aged mice, resulting  in attenuated amplitude of circadian oscillations  in electrical activity and neurotransmitters (Farajnia et al, 2012). This reduced amplitude rhythm may not be sufficient to control the phase of circadian rhythms in other brain areas and in peripheral organs, such as the  liver, kidneys and  intestine. This deregulation may cause the disrupted sleep pattern and other circadian behaviors. 

The  change  in  the  state  of  the  network  correlates  to  a  modulation  in  the  balance  of excitatory  and  inhibitory  neuronal  activity  in  the  SCN,  with  more  excitation  in  the desynchronized state. We have already shown that the synchrony between the cells and the E/I balance can be altered in seasonal encoding (Farajnia et al, 2014a; Farajnia et al, 2014b), and  we  are  currently  investigating  to  what  extend  desynchronization  and  change  in  E/I balance is also observed in aging. 

In order  to  implement strategies  for healthy aging, we are also  investigating measures  for health. Temporal behavioral patterns and  the  central  clock  show  scale  invariant behavior, possibly driven by the network and the E/I balance. With disease and aging, scale invariance is lost, and also in a brain slice preparation when the clock is not communicating with other brain areas, scale  invariance  is absent (Gu et al, PNAS 2015). The analysis of scale  invariant behavior may serve as an indicator for network and E/I balance viability. 

 References: 

Page 18: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 18 of 36

Farajnia,  S.,  Deboer,  T.,  Rohling,  J.H.T.,  Meijer,  J.H.,  Michel,  S.  (2014a)  Aging  of  the suprachiasmatic clock. Neuroscientist, 20: 44‐55 Farajnia, S., Michel, S., Deboer, T., Vanderleest, H.T., Houben, T., Rohling,  J.H., Meijer,  J.H. (2012) Evidence  for neuronal desynchrony  in  the aged  suprachiasmatic nucleus  clock. The Journal of Neuroscience 32: 5891–5899 Farajnia,  S.,  van  Westering,  T.L.,  Meijer,  J.H.,  Michel,  S.  (2014b)  Seasonal  induction  of GABAergic excitation in the central mammalian clock. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111: 9627–9632 Gu, C., Coomans, C.P., Hu, K., Scheer, F.A., Stanley, H.E., Meijer, J.H. (2015) Lack of exercise leads  to  significant  and  reversible  loss  of  scale  invariance  in  both  aged  and  young mice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 112:2320–2324 

   

    

Page 19: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 19 of 36

 

Talk 1: 

 Spatiotemporal reorganization of brain rhythms on slow and fast time scales with healthy aging 

 

Dipanjan Roy 

National Brain Research Centre, Manesar, Gurgaon, Haryana‐122 052, India 

 

Introduction 

One of  the hallmarks of  aging whether healthy or pathological  is  a progressive decline  in anatomical connectivity of the brain. Despite this steady decline  in anatomical connectivity in  several  functional  domains  such  as  fluid  intelligence,  language,  and  sentence comprehension  etc.  healthy  elderlies  continue  to  perform  just  as  well  as  the  younger individuals. This raises an  intriguing possibility of a  functional  level global reorganization  in the brain with healthy aging that would compensate for the structural decline. Here we have investigated the network level integration and segregation leading to age‐related frequency modulated  response  on  different  timescales  (slow  and  fast).  Our  results  provide  first concrete  evidence  for  the  aging‐related  reorganization  in  large‐scale  integration  and segregation  hypothesis which  posits  that  brain  networks  become  increasingly  segregated and  integrated  at  the  same  time with  aging. De‐differentiation  increases by  creating new modules  but  at  the  same  time,  the  interaction  among  these  modules  becomes  more integrative in nature.                                                                           

Methods 

We analyzed resting‐state magnetoencephalogram data of 650 healthy  individuals (age 18‐88, 322  female) collected as a part of a cross‐sectional adult  life‐span study by Cambridge Centre for Ageing and Neuroscience (Cam‐CAN). Spectral power of neuronal oscillations was estimated using Welch’s method. Frequency in the alpha band having maximum power was taken to be the representative peak alpha frequency (PAF). We estimated global coherence as a measure of global covariation among the sensors. Since variation in global coherence in delta  and  theta  band with  age was  similar which was  also  the  case  for  alpha  and  beta oscillations we broadly divided the oscillations  into two bands  i.e. slow oscillations (1‐5 Hz) and fast oscillations (10‐20 Hz). Upon visual inspection, we found that the overlap in sensor topographies  corresponding  to  alpha  and  beta  oscillations  decreased  with  aging.  We established  the  separation of  alpha  and beta oscillations  sensor  level  representation with aging by estimating the angle between these topographies and correlating it with age.    

 

Results 

We found that global beta power i.e. power in the beta band averaged over all the sensors was higher in elderly population compared to the younger population. PAF was significantly negatively correlated with age. Interestingly we found a set of sensors in the anterior part of the  brain  where  PAF  stayed  invariant  across  life‐span.  The  global  coherence  of  slow oscillations increased with age whereas global coherence of fast oscillations decreased with age. PAF derived from global coherence analysis also significantly decreased with increase in age. The angle between vector representations of alpha and beta sensor topographies was positively correlated with age.  

Page 20: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 20 of 36

 

Discussion 

Increase in beta power in older population has been well documented and is considered to be  the  cause  of  greater  motor  inhibition  in  aged  individuals.  Invariance  in  PAF  in  the prefrontal  cortex  may  be  reflective  of  healthy  aging.  Differential  relationship  of  global coherence  of  slow  and  fast  oscillations,  combined  with  separation  of  alpha  and  beta topographies support the  integration and segregation theory of aging. Source  level analysis of  this  data  may  give  insights  into  the  specific  brain  regions  responsible  for  this spatiotemporal reorganization. 

 

    

Page 21: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 21 of 36

 

Talk 2: 

Metastability, Causality and Synchronization in the aging brain: a new perspective 

 

Dipanjan Roy 

National Brain Research Centre, Manesar, Gurgaon, Haryana‐122 052, India 

 

Introduction 

The human brain undergoes both structural and  function changes across  the  lifespan.  It  is important  to  know  the  dynamics  of  these  changes.  Synchronization  among  the  various frequencies is believed to be the means through which the brain communicates between its different areas. Metastability, on the other hand, can be defined as an extended persistence of  the brain  in  an unstable equilibrium  state. Together,  synchronization  and metastability provide  good measures  for  brain  processes which  can  be  viewed  as  constantly  jumping between various ‘locked’ (synchronized) states via intermediate metastable states.  

While these concepts have been studied extensively in the last decade, they have not been carefully  looked  at  from  the  perspective  of  aging;  i.e.:  how  do  the  synchronization  and metastability  change  as  the  brain  gets  older?  In  this work we  use  a  generative model  of cortical oscillations to study metastable properties of the brain and its alteration with age.  

Furthermore,  functional  connections  within  resting‐state  networks  weaken  while connections  between  resting‐state  networks  strengthen  with  aging.  A  recent  study  by Tsvetanov  et.al  (2016)  shows  that  effective  connectivity within  and  between  large  scale functional  networks  changes  over  the  healthy  lifespan.  However,  the  contribution  of thalamus  in  these age  related  changes  is not  adequately explored.  In particular, very  few studies  have  investigated  how  thalamo  cortical  structural  and  functional  connectivity changes with age and how such changes are associated with changes  in cognitive functions (Goldstone  2017).  Using  effective  connectivity measures  on  resting  state  FMRI  data, we examine the age related changes in cortico‐cortical and thalamo cortical causal interactions within and between resting state networks.  

 

Methods 

We  use  a  network  of  coupled  Kuramoto  oscillators  located  at  the  Salience  (SN),  Central Executive  (CEN) and Default Mode Networks  (DMN). The  couplings between  the nodes of these spatially extended networks are derived from empirical DTI (Diffusion tensor imaging) data  collected  from  25  young  and  25  old  subjects.  The  oscillating  phases  of  the  various nodes, which simulate neuronal dynamics on a  faster time scale,  is converted to the ultra‐slow  frequency  Blood  level  oxygen  dynamics  (BOLD)  signals  by  the  Balloon‐ Windkessel model. We thereby calculate the Functional Connectivity (FC) matrix, which  is compared to the empirical FC matrix collected from the same subjects. The free parameters in this model are ‘global coupling’ and ‘time‐delay’, which are scanned in the appropriate ranges to give us ‘parameter maps’ for the various measures of brain dynamics. Finally we selected 68 cortical regions  and  subcortical  thalamic  regions  using Desikan  Killiany  parcellation  atlas.  Various centrality measures are applied on average FC and SC matrix for finding out the most central nodes( hubs). Community structure of these matrices are  identified using the algorithm by 

Page 22: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 22 of 36

Blondel  et  al.(2008).  The  three  of  core  cognitive  networks  DMN,  SN,  CEN  networks  are identified by  spatially matching of hub  regions with  the  important RSNs  in  the  literature. Multivariate GCA is performed to test for causality index between ROIs with and without the thalamus . Pairwise granger causality indexes are calulated for within network and between network causality analysis. We have also calculated the distribution of weighted net granger causal  outflow  with  the  100  bootstrap  sample  of  Granger  Causality  matrix.  We  have performed  nonparametric Mann‐whitney U  test  to  test whether  there  is  any  significance difference between net causal outflow  for  two different age groups with and without  the thalamus.  

 

Results 

We  calibrate  the  phenomenological model  to  the  empirical  observations  from  the  BOLD fMRI signals by correlating the model generated and empirical FC. The parameter maps were explored  for aging  related changes  in  the  synchronization and  the metastability dynamics, both at the neural and the BOLD timescales. In both age groups we observe a well‐defined region of high  synchronization and  low metastability. The  region of highest FC correlation lies  close  to  this  region  of  high  synchrony  in  both  groups.  We  observe  an  increase  in metastability in the older population as compared to the young group.  

In structural and  functional connectivity analysis we have  found  that structural modularity prevails  better  than  functional modularity with  aging.  Also  re‐organizations  of  functional hubs  are  going  on with  the  age.  In  context  of  effective  connectivity, we  see  that  causal connections are changing with age. Within network causal connections become weaker, but between network causal connections are getting stronger with aging. Net causal outflows of several  nodes  are  significantly  higher  in  young  compared  to  old  population  for  within network analysis. Significant changes are seen in causal connections and net causal outflows in presence of thalamus. 

 

Discussion 

An increase in metastability with age may be attributed to various factors. Most importantly, as the brain ages, there  is a deterioration of the neuronal connectivity among the different regions of the brain. This could result in the loss of synchronization among different areas of the  brain,  which  shows  up  as  increased  metastability.  In  the  integration‐segregation paradigm, there is evidence of the brain showing higher integration tendency with age. This fits well with the increase in metastability, which means that, with age, the brain spends less time  in specific  task‐synchronized states while spending more  time  in  the unsynchronized, in‐between‐tasks states. Some other intriguing phenomenon also emerge when we compare the  synchronization  and  metastability  profiles  at  the  two  temporal  levels.  While  some features  such  as  metastability  are  preserved  across  the  scales,  other  feature  such  as synchronization may be different at the two scales. The underlying causes and mechanisms for this are not fully explainable by current theories of the brain and remain open questions.  

To  the best of our  knowledge, no previous  study have addressed  the  role of  thalamus  in causal connectivity analysis  for resting state networks. Hence, what emerge  from causality analysis on  the  same dataset  that  thalamus  indeed has an  important causal  role  in within and between network connectivity. This influence also changes with aging. Our findings with the  effective  connectivity  measures  strengthens  the  hypothesis  that  balancing  between within  network  connectivity  and  between  network  connectivity  is  an  important  neural marker to maintain the functionality of brain with aging. 

Page 23: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 23 of 36

  

Talk1:  

Origin of common dynamical aspects in glassy materials and biological ecosystems: a qualitative discussion 

 

Paolo Sibani 

FKF, University of Southern Denmark, DK5230 Odense M, Denmark 

 

Systems very different in terms of microscopic variables and interactions have similar aging dynamics  (Sibani13).  This  point  is  illustrated  with  examples  from  hard  sphere  colloids (Boettcher11),  spin‐glasses  (Sibani06),  bacterial  evolution  (Lenski94),  and,  finally,  the Tangled Nature Model of ecological evolution (Hall02,Becker14). Each system is only briefly described and the common key feature emphasized is the observed logarithmic dependence of macroscopic averages. The latter implies a rate of changer ̴ 1/t, wheret is the time elapsed from the initial event starting the aging process. 

As aging proceeds, increasing periods of time are spent in `punctuated equilibria' (Eldredge), pseudo‐stationary  configurations   encircled by  growing  free‐energy barriers.  The  statistics `quakes',  the  intermittent and  spatially heterogeneous events marking  the  transition  from one state to the next,  is explained by 'Record Dynamics', which posits a hierarchy of barriers and  that overcoming a record high barrier triggers a quake (Sibani93}. 

 References: [Sibani13] Paolo Sibani and Henrik Jeldtoft Jensen,Stochastic Dynamics of Complex Systems: from Glasses to Evolution. Imperial College Press, 2013. [Boettcher11] Stefan Boettcher and Paolo Sibani, Ageing in dense colloids as diffusion in the logarithm    of time, J. Phys.:Cond. Matter, 23:065103, 2011. [Sibani06]  P.  Sibani, G.  F.  Rodriguez  and G. G.  Kenning,    Intermittent  quakes  and  record dynamics  in  the  thermoremanent magnetization  of  a  spin‐glass,  Phys.  Rev.  B  74:224407, 2006. [Lenski94]  R. Lenski and M. Travisano, Dynamics of adaptation and diversification: A 10,000‐ generation experiment with bacterial populations, Proc. Natl. Acad. Sci.: 91: 6808, 1994. [Hall02] Matt Hall, Kim Christensen, Simone A. di Collobiano, and Henrik    Jeldtoft  Jensen. Time‐dependent  extinction  rate  and  species  abundance  in  a  tangled‐nature  model  of biological evolution. Phys. Rev. E 66, 011904, 2002. [Becker14] Nikolaj Becker and Paolo Sibani, Evolution and non‐equilibrium physics: A study of the Tangled Nature  Model, EPL, 105:18005, 2014. [Eldredge] The   term was    introduced by   Niles Eldredge and Stephen Jay Gould  in 1972 to describe species evolution,  but  we find it  equally  fitting for  a variety of dynamical systems with multiple metastable states. [Sibani93] Paolo Sibani and Peter B. Littlewood, Slow dynamics from noise adaptation, Phys. Rev. Lett., 71: 1482, 1993.    

Page 24: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 24 of 36

 

 

Talk2:  

From micro‐ to macro: Record Dynamics as a coarse graining tool for aging systems 

 

Paolo Sibani 

FKF, University of Southern Denmark, DK5230 Odense M, Denmark 

 

Aging  dynamics  is  simpler  when  analyzed  on  a  logarithmic  time  scale:`quakes',  configurational  jumps from one metastable state to the next, are uniformly distributed on a logarithmic time axis, and the `logarithmic waiting times'  between successive quakes  are, to a  good  approximation,  independent  stochastic  variables  with  a  common  exponential distribution.  In  other  words,  quaking  can  be  described  as    a  log‐Poisson  process,  i.e.  a Poisson  process whose  average  has  a  logarithmic  time  dependence.  This  is  explained  by Record  Dynamics,  see  e.g.  [Anderson04,  Sibani13,Robe16],  a  theoretical  coarse‐graining approach  linking      micro‐  and  macroscopic  phenomena  in  aging  systems.  We  illustrate Record Dynamics with  examples  from  colloidal  systems  [Robe16,  Sibani18],  the  Edwards‐Anderson  spin glass  [Sibani18a} and  the Tangled Nature Model  [Becker14].   We  conclude with an application to the non‐stationary aging dynamics in ant societies [Sibani11]. 

 References: [Sibani13] Paolo Sibani and Henrik Jeldtoft Jensen, Stochastic Dynamics of Complex Systems: from Glasses to Evolution, Imperial College Press, 2013. [Anderson04]  Paul  E.  Anderson,  Henrik  Jeldtoft  Jensen,  L.  P.  Oliveira  and  Paolo  Sibani, Evolution in complex systems, Complexity 10:49‐56, 2004. [Robe16]  Dominic  M.  Robe,  Stefan  Boettcher,  Paolo  Sibani  and  Peter  Yunker,  Record dynamics: Direct experimental evidence from jammed colloids, EPL 116: 38003, 2016.  [Sibani18]  Paolo Sibani and Carsten Svaneborg, Work in progress.  [Sibani18a] Paolo  Sibani  and  Stefan Boettcher, Mesoscopic  real  space  structures  in  aging spin‐glasses:  the Edwards‐Anderson model, ArXiv:1803.06580 & Phys. Rev. B, in press.  [Becker14] Nikolaj Becker and Paolo Sibani, Evolution and non‐equilibrium physics: A study of the Tangled Nature Model, EPL 105:18005, 2014.  [Sibani11]    Paolo  Sibani  and  Simon  Christiansen,  Non‐stationary  aging  dynamics  in  ant societies,  Journal of Theoretical Biology 282, 36‐‐40, 2011. 

     

Page 25: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 25 of 36

 

 

The temporal scaling of C. elegans ageing 

 

Nicholas Stroustrup 

Centre for Genomic Regulation, Barcelona 

 

Aging produces  a wide distribution of  lifespan even  among  isogenic  individuals housed  in controlled  environments.  Analyzing  high‐resolution  demographic  data  collected  using  our automated method, we  find  that diverse  interventions  in aging alter C. elegans  lifespan of through an apparent stretching or shrinking of time: a temporal scaling of the survival curve. Interventions  producing  this  effect  include  changes  in  diet  and  temperature,  exposure  to oxidative  stress,  and  the  disruption  of  genes  including  the  insulin/IGF‐1  pathway components  daf‐2.    In  certain  cases,  a  temporal  scaling  of  survival  curves  is  statistically indistinguishable from several other parametric models previously proposed to describe the quantitative effect of  interventions  in aging. So, to differentiate between these models, we investigated  the effect of  transient  interventions applied early  in adulthood. We observed that early‐adulthood changes  in temperature produce temporal shifts of the survival curve, distinct  from  the  temporal  scaling  produced  by  whole‐life  exposure.  The magnitudes  of these shifts were accurately predicted by a model in which interventions produce a temporal scaling  of  a  single  aging  process  during  any  period  of  exposure,  in which  the  rate  of  all physiologic changes  influencing  lifespan are altered  in concert.Clearly, the  interventions we characterize  produce  diverse  changes  at  molecular  level  and  differential  effects  across various  "health‐span"  phenotypes.  It  is  therefore  surprising  to  see  all  the  physiologic determinants of  lifespan, whatever  they may be, appearing  to  respond  in  such a uniform way across many interventions. In a series of simulations, we find that temporal scaling can arise  as  a  general  behavior  of  complex  networks,  in  which  the  interdependence  of components  serves  to propagate  the  consequences of declines  in  functions  of  small  sub‐networks  across  the whole network. Perhaps  such network phenomena may help explain other  aspects  of  aging,  and  provide  the  basis  for  an  empirically‐grounded,  quantitative framework that links molecular interventions to their systemic effects in aging.  

      

Page 26: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 26 of 36

 

 

Talk 1:  

Thermodynamics of Biochemical Copying 

 

Pieter Rein ten Wolde,  AMOLF Amsterdam 

 

The  process  of  copying  information  is  central  to  life.  Examples  are  to  be  found  in  DNA replication, gene expression, but also  in cell signalling. Since the work of Maxwell, Demon, Sziland, Bennett and Landauer,  it  is known that copying has a fundamental thermodynamic cost. In this talk, I will first discuss how a biochemical copy protocol, as found for example in cell  signalling,  can be mapped onto  a  computational  copy protocol.  I will  then  show  that biochemical  networks  can  some  surprisingly  close  to  the  fundamental  thermodynamic bound on the energetic cost of copying. 

 

 

 

 

Talk 2: 

Theory on the optimal design of cell sensing systems 

 

Pieter Rein ten Wolde,  AMOLF Amsterdam 

 

Experiments in recent years have vividly demonstrated that living cells can measure chemical concentrations with  remarkable accuracy.  Importantly,  these concentrations often vary on the timescale of the response of the system. In this talk, I will discuss the optimal design of cell  sensing  systems.  I  will  show  that  not  only  receptors  and  readout  molecules fundamentally  limit  the  accuracy  of  sensing,  but  also  time  and  power;  each  of  these resources  imposes  a  fundamental  sensing  limit,  which  cannot  be  enhanced  by  raising another  resource.  This  observation  leads  to  a  novel  design  principle  for  the  optimal allocation  of  cellular  resources  in  systems  that  need  to  detect  time‐varying  signals.  This principle predicts that the optimal design depends on the timescale and the variance of the input signal. This prediction is tested for the chemotaxis system of the bacterium E. coli. 

 

    

Page 27: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 27 of 36

 

 

Talk 1:  

Information processing in neural and gene regulatory networks 

 

Gasper Tkacik 

Biophysics and Neuroscience, Institute of Science and Technology, Austria 

 

Life depends as much on the flow of  information as on the flow of energy. Efforts to make this  intuition precise started already  in  the 1950s, very soon after Shannon  formulated his information  theory, but   progress was  limited by  the quality and quantity of experimental data. Recent advances allow us to measure the  information transmitted by small biological networks, as well as to read it out and reconstruct the network inputs. Developing in parallel with  this data‐driven approach has been  the  theoretical  idea of “efficient  representation”: the  idea  that  biological  systems  could  be  optimized,  through  the  course  of  evolution  or learning, to transmit the maximal amount of (useful)  information. In my talk I will highlight the unity of these theoretical ideas across two very different biological systems: a network of retinal ganglion cells encoding visual information, and a gene regulatory network responsible for  the  early  development  of  the  fruit  fly.  I  will  present  examples  of  how  biophysical constraints and stimulus statistics shape the functioning of these systems, and conclude by describing  our  early  efforts  to  build  a  quantitative  and  predictive  theory  for  biochemical regulatory networks. 

 

 

Talk 2:  

Intrinsic limits to gene regulation by global crosstalk 

 

Gasper Tkacik 

Biophysics and Neuroscience, Institute of Science and Technology, Austria 

 

Gene  regulation  relies  on  the  specificity  of  transcription  factor  (TF)–DNA  interactions. Limited  specificity  may  lead  to  crosstalk:  a  regulatory  state  in  which  a  gene  is  either incorrectly  activated  due  to  noncognate  TF–DNA  interactions  or  remains  erroneously inactive.  As  each  TF  can  have  numerous  interactions  with  noncognate  cis‐regulatory elements, crosstalk  is  inherently a global problem, yet has previously not been  studied as such. We  construct  a  theoretical  framework  to  analyse  the  effects  of  global  crosstalk  on gene  regulation. We  find  that crosstalk presents a significant challenge  for organisms with low‐specificity TFs, such as metazoans. Crosstalk is not easily mitigated by known regulatory schemes  acting  at  equilibrium,  including  variants  of  cooperativity  and  combinatorial regulation.  Our  results  suggest  that  crosstalk  imposes  a  previously  unexplored  global constraint on  the  functioning  and evolution of  regulatory networks, which  is qualitatively distinct  from  the  known  constraints  that  act  at  the  level  of  individual  gene  regulatory elements.    

Page 28: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 28 of 36

 

 

   

Aging as stress response:  examples from bacteria and higher eukaryotes 

 

Ala Trusina 

Niels Bohr Institute, University of Copenhagen 

 

While aging is typically associated with inevitable deterioration at the level of the individual, it may be a beneficial trait in a population facing unpredictable changes in the environment. The  two  illustrative  examples  are  the  bacterial  aging  through  asymmetric  damage segregation and stress induced telomere shortening in higher eukaryotes. Common for both is  that  proliferative  potential  of  the  cell  depends  on  its  history  of  stress  exposure.  I will discuss  how  inheriting  damaged  DNA  and  proteins  allows  propagate  information  about stress exposure  through generations and  the  resulting consequences  for population  stress adaptation. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

Page 29: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 29 of 36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abstracts of Contributed Talks  (in alphabetic order) 

   

Page 30: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 30 of 36

 

 

Ageing, translation and noise ‐ are they related? 

 

Tailise C. de Souza Guerreiro, John McCarthy 

University of Warwick 

 

 

Analysis  of  the  biological  processes  that  influence  ageing  is  crucial  to  developing  a  full understanding  of  the  mechanisms  underpinning  it.  Saccharomyces  cerevisiae  has  been shown to be a key model for ageing research since the pathways for the ageing process are highly  conserved  between  eukaryotes,  from  yeast  to  man.  Previous  reports  have demonstrated  the  role  of  translational  control  in  life  span modulation.  Calorie  restriction increases life span by a mechanism mediated by Target of Rapamycin (TOR) signaling, which in turn reduces ribosome protein production as well as global translation activity. Proteomic analysis at the single‐cell level has shown that proteins involved in translation exhibit lower‐than‐average  levels of gene expression noise.  In  this study, we have applied an  innovative approach combining cell wall staining, flow cytometry and microfluidics, to  investigate at a single‐cell  level whether  the noise characteristics of yeast cells change with  increasing age and  to what extent  individual  components of  the  translation machinery  contribute  to  the relationship  between  ageing  and  noise.  We  find  that  gene  expression  noise  generally increases  as  cells  age,  but  that  deletion  of  eIF4G  (translation  initiation  factor  4G)  both restricts  age‐dependent  increases  in  noise  and  extends  life  span,  thus  indicating  that translation, gene expression noise and replicative ageing are linked. 

 

 

 

   

Page 31: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 31 of 36

 

 

 

 

Task‐specific adaptation of a living flow network 

 

Philipp Fleig , Mirna Kramar, Michael Wilczek,  Karen Alim 

Max Planck Institute for Dynamics and Self‐Organization 

 

Living flow networks such as the animal vasculature or fungal networks actively adapt their morphology over time. Here, the adaptation activity can be seen as a measure of aging.  In this work we  investigate  the phenomenology of adaptation  in  the unicellular  slime mould Physarum polycephalumas a model  for adaptive  living  flow networks. A key component of adaptation  is  the  cytosol  flow  through  the network,  caused by  active  contractions of  the cell’s actomyosin cortex. Using principal component analysis we decompose these network‐spanning contractions  into a basis of modes.  In particular, we show that adaptation of the network  such  as  growth  or  movement  is  coordinated  via  switching  between  different modes. The activation of modes  is  task‐specific and  follows a distinctive  time  course. Our approach enables us  to  identify key differences between changes  in adaptation caused by aging and external stimuli. 

 

    

Page 32: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 32 of 36

 

 

Relaxational kinetics in red blood cell mechanics: linking physical to biological aging 

 

Marta Gironella, Felix Ritort 

Departament de Física de la Matèria Condensada, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Carrer Martí i Franquès, 1, Barcelona 08028, Spain and 2. CIBER‐BBN, Instituto de 

Salud Carlos III, 28029 Madrid, Spain 

 

Red blood cells (RBC) are one of the most abundant and simplest cells in human body. Only composed of a  lipid bilayer and an spectrin cytoskeleton, their shape, mechanics and aging are  fundamental  features  to understand  and  treat  the majority of blood diseases.  In  this project we study relaxational processes in the mechanics of RBC using optical tweezers. We use two different approaches in order to understand the viscoelastic response of the RBC: 1) Pulling  experiments, where we  pull  and  push  the  RBC  at  different maximum  forces  and different  pulling  velocities  to  extract  information  of  the  force‐distance  curves  and;  2) Relaxation  experiments,  where  we  apply  a  force  jump  to  the  RBC  and  measure  force relaxation. From  these  two kind of experiments we are able  to characterize  four different time‐scales, three of them related to membrane‐cortex interaction, the other one (which is the  longest)  shows a  stiffening of  the RBC  that we hypothesize  it  is  linked  to aging  in  the RBC. The correlation between the time‐scales allows us to globally understand the temporal evolution of RBC and link physical to biological aging. 

    

Page 33: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 33 of 36

 

 

Length dependence of the elastic properties and secondary structure of single‐stranded DNA 

 

Xavier Viader‐Godoy, Maria Manosas, Felix Ritort 

Departament de Física de la Matèria Condensada, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Carrer Martí i Franquès, 1, Barcelona 08028, Spain and 2. CIBER‐BBN, Instituto de 

Salud Carlos III, 28029 Madrid, Spain 

 

Single‐stranded  DNA  (ssDNA)  plays  a major  role  in  several  biological  processes,  such  as replication or transcription. Therefore, it is of fundamental interest to understand the elastic response  of  this  biological  polymer.  Besides,  force  spectroscopy  techniques  have  been widely used to study biochemical and enzymatic processes involving DNA. The interpretation of the results obtained by these experiments requires an accurate description of the elastic properties of ssDNA. However, a large dispersion on the elastic parameters is obtained from different methods and sequences.                                 .  

In  this  work,  we  study  the  elastic  properties  of  ssDNA  using  molecules  with  different sequences and  lengths comprising 4 orders of magnitude (from 60bases to 14kbases). Two regimes arise  in general: at high  forces a simple non‐interacting polymer  response; at  low ones  a  condensation  transition  is  observed  corresponding  to  the  formation  of  secondary structure.                                                                  . 

Focusing on the regime without secondary structure and using the  inextensible Worm‐Like Chain model we  proof  that  the  apparent  discrepancy  found  in  the  previous works  arises mainly from the different range of forces used to fit long and short molecules. The different sequences  studied  also  allowed  us  to  test  pyrimidine/purine  content,  which  present different elastic behavior.                                                                                                  .  

Regarding the secondary structure regime, we develop a two‐state model that recovers the phenomenological formula proposed  in A. Bosco et al.(2013) and captures the dependence of the secondary structure on molecule length and salt concentration. From this description we obtain an energy associated to base‐pairing that is in the order of kBT and depend on the salt concentration, as expected. 

 

    

Page 34: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 34 of 36

 

  

Dose‐rate scaling laws in a generic cellular stress response model 

 

Darka Labavic, Mohamed Tahar Ladjimi, Quentin Thommen, Benjamin Pfeuty 

Lab. de Physique des Lassers, Atomes at Molécules, Université de Lille, CNRS, Lille, France 

 

 

We  study  a  model  of  an  intracellular  network  that  controls  stress‐induced  decisions. Regardless of  the perturbation source and  the cell death modality,  the cellular decision  to survive or die upon stress exposure  involves a complex signaling and  regulatory networks. On the one hand, maintenance of the cellular homeostasis typically involves a core negative feedback mechanism,  which  counteracts  the  damage  production  in  response  to  various sources of stress ranging from radiative, oxidative, heat or metabolic. On the other hand, the stress‐induced death outcomes involve the cooperation of many caspase‐dependent positive feedback  loops,  which  trigger  irreversible  bistability.  Our  aim  is  to  study  how  these nonlinearities and timescales determine or influence the dose‐rate response defined as how cell death/survival probabilities depend on both the duration and rate of the (stress) dose. 

We, therefore, develop a simple generic model consisting of two coupled  loops, a positive and  a  negative  feedback  loop,  corresponding  to  the  decision making  and  the  adaptation processes,  respectively.  We  first  investigate  the  importance  of  the  relative  time  scales associated  to  damage,  adaptation  and  death  dynamical  processes.  In  general, we  find  a power  law behavior of the dose‐rate response curves, with different exponents depending on  the stress duration. For well‐separated  time scales, we derive analytically  these scaling laws, with an explicit dependence on  the model parameters. The simple power  law of  the Haber's  rule  used  in  toxicology  and  dosimetry  appears  to  be  valid  in  a  broad  range  of timescales. However, much more  complex patterns appear when we  consider  the  case of nonlinear adaptation.   

    

Page 35: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 35 of 36

 

 

Interaction Analysis of Longevity Interventions Using Survival Curves 

 

Jonas Rzezonka Stefan Nowak, Joachim Krug, Ivan G. Szendro ‐ Institut für Theoretische Physik, Universität zu Köln, Germany 

Johannes Neidhart ‐ MBR Optical Systems, 42279 Wuppertal, Germany 

Rahul Marathe ‐ Dept of Physics, Indian Inst. of Technology Delhi, New Delhi, India 

 

A  long‐standing  problem  in  ageing  research  is  to  understand  how  different  factors contributing  to  longevity  should be expected  to act  in  combination under  the assumption that  they are  independent. Standard  interaction analysis compares  the extension of mean lifespan achieved by a combination of  interventions to the prediction under an additive or multiplicative null model, but neither model is fundamentally justified. Moreover, the target of  longevity  interventions  is  not mean  life  span  but  the  entire  survival  curve.  Here  we formulate  a  mathematical  approach  for  predicting  the  survival  curve  resulting  from  a combination of two independent interventions based on the survival curves of the individual treatments,  and  quantify  interaction  between  interventions  as  the  deviation  from  this prediction. 

   

    

Page 36: Abstracts of talks alphabetic order) · phenomenon. I will focus on kinetically constrained systems as basic models for glasses and will also describe methods based on the theory

International Conference: Biological Aging 16.-20.04.2018 Jacobs University Bremen

Page 36 of 36

 

 

Beyond asymmetry: the evolutionary advantages of an active damage retention mechanism 

 

Niek Welkenhuysen, Johannes Borgqvist, Barbara Schnitzer, Qasim Ali, Marija Cvijovic 

Chalmers University of technology and University of Gothenburg 

 

In mammalian  cells  rejuvenation  of  certain  cell  types,  such  as  stems  cells,  is  required  to restore the lifespan of the progeny. Similar, S. cerevisiae mother cells produces rejuvenated daughter cells  to maintain viability  in populations over  time. During cell division, damaged proteins are  inherited asymmetrically  such  that most are  retained within  the mother  cell. We  have  developed  fast  and  versatile  computational  framework  to  study  phenomena  of ageing and rejuvenation and to understand to what extent and under which circumstances retention of damage  is beneficial  to  the cells on both  single cell and population  level. We argue that, while symmetrically dividing organisms can cope with higher damage formation rates, asymmetrical division leads to bigger populations in favorable conditions, which gives rise to a higher biological fitness. We also predict that rejuvenation is likely to occur to cells with active damage retention mechanism under the high damage accumulation rate. These findings  can  be  confirmed  by  observing  the  lifespan  of  mother  and  daughter  cells. Microfluidic systems have emerged as key tools to study the dynamics of processes, since it allows time lapse (fluorescence) microscopic imaging and have been driving the emergence of  single  cell  analysis  techniques.  Therefore, we  are  developing  a microfluidics  platform which can  immobilize and observe a mother and  its offspring over a  lifetime. This platform would be able to capture the complete replicative  lifespan of a mother and daughter cells under controllable conditions. Our results suggest that S. Cerevisiae has evolved a complex regulation of size division asymmetry  in order  to partially gain a higher population of cells when conditions are favorable. Finally, we are developing experimental systems to study cell lineages  on  a  single  cell  level.  Our  work  sheds  light  on  asymmetric  cell  division  and rejuvenation  in  yeast  and  can  be  valuable  for  understanding  similar  phenomena  in  other organisms.