Premixed piloted jet flames are an ideal generic configuration to examine the impact of turbulence on thermo-chemical states for staged-combustion systems, like rich-quench-lean technologies, which have been proposed for ammonia combustion to minimize emissions. The current study aims to gain fundamental insights on the internal scalar structure of such premixed and rich-lean stratified ammonia-hydrogen flames. Turbulent premixed NH3/H2/N2-air jet flames, stabilized by a large, lean pilot flame (ϕ = 0.57), were investigated over a range of lean to rich global equivalence ratios (ϕglobal = 0.8, 1.2, and 1.6), employing simultaneous 1D Raman/Rayleigh spectroscopy with a novel calibration approach for NH3. The quantitative scalar data of instantaneous flame structures and thermo-chemical states are analyzed with emphasis on the NH3–H2 interaction and its effects on differential diffusion. In the transition from lean to rich jet flames, the spatial flame structures reveal the presence of residual H2 in the products, while a significant minimization of the NH3 slip is observed. The remaining H2 undergoes turbulent mixing with the hot exhaust gas causing additional heat release and elevated temperatures compared to 1D adiabatic flame simulations. The local oxygen concentration is found to be a determining factor in the interaction between thermal cracking and oxidation of NH3. Due to the formation of H2 as a result of NH3 cracking on the one hand and the oxidation reactions and diffusion of H2 on the other hand, a relatively high H2 concentration is still observed at relatively high temperatures despite the presence of O2. This interplay between in situ cracking, diffusion, turbulent mixing, and oxidation reactions leads to a zone of stratified combustion, so that overall a two-stage combustion characteristic is observed, showing premixed combustion primarily within the jet flow and stratified combustion in the mixing zone with the pilot exhaust gas.

Abstract Flow visualization in harsh environments such as a scramjet combustor featuring highly turbulent supersonic reactive flow with intensive luminescence emission is challenging and typically lack of sufficient spatiotemporal resolution that is essential for resolving flow dynamics. This study presents a development of a robust flow visualization technique with an exceptional spatiotemporal resolution in a scramjet combustor. By utilizing a customized LED light source, the short pulse duration along with a high peak power and a single-color emission ensures an instantaneous exposure with little background luminescence interference. Focusing schlieren image measurements with mitigated path-integration effect are successfully demonstrated in a scramjet engine combustor at instant, frame-straddling, and sequential temporal resolutions of 100 ns, 500 ns, and 26 μs, respectively, along with a megapixel imaging resolution. Consequently, in addition to flow visualization, it is worth highlighting that the exceptional spatiotemporal correlation resolved by present measurements exhibits attractive potentials of velocimetry for harsh high-speed flow environments.

Pioneer transcription factors are essential for cell fate changes by targeting closed chromatin. OCT4 is a crucial pioneer factor that can induce cell reprogramming. However, the structural basis of how pioneer factors recognize the in vivo nucleosomal DNA targets is unknown. Here, we determine the high-resolution structures of the nucleosome containing human LIN28B DNA and its complexes with the OCT4 DNA binding region. Three OCT4s bind the pre-positioned nucleosome by recognizing non-canonical DNA motifs. Two use their POUS domains by forming extensive hydrogen bonds. The other uses the POUS-loop-POUHD region; POUHD serves as a wedge to unwrap âˆ¼25 base pair DNA. Biochemical studies suggest that multiple OCT4s cooperatively open the H1-condensed nucleosome array containing the LIN28B nucleosome. Our study suggests a mechanism whereby OCT4s target the LIN28B nucleosome by forming multivalent interactions with nucleosomal motifs, unwrapping nucleosomal DNA, evicting H1, and cooperatively open closed chromatin to initiate cell reprogramming.

Histone variants carry specific functions in addition to those fulfilled by their canonical counterparts. Variants of the linker Histone H1 are prevalent in vertebrates and based on the pattern of their expression, many are presumed to function during germline and the earliest zygotic stages of development. While the existence of multiple H1 variants has hampered their study in vertebrates, a single variant, BigH1, was identified in Drosophila, promising to accelerate our understanding of the biological functions of H1 and H1 variants. Here we uncovered evidence for a compensatory activity that loads maternal H1 onto BigH1-devoid chromatin. Remarkably, this H1-based chromatin state is fully functional in supporting normal embryonic development, suggesting that H1 carries the essential function of the BigH1 molecule under the same developmental context. In addition, we discovered that this compensatory replacement of BigH1 with H1 might be limited to rapidly cycling cells in early embryos.

Pioneer transcription factors are vital for cell fate changes. PU.1 and C/EBP⍺ work together to regulate hematopoietic stem cell differentiation. However, how they recognize in vivo nucleosomal DNA targets remain elusive. Here we report the structures of the nucleosome containing the mouse genomic CX3CR1 enhancer DNA and its complexes with PU.1 alone and with both PU.1 and the C/EBP⍺ DNA binding domain. Our structures reveal that PU.1 binds the DNA motif at the exit linker, shifting 17 bp of DNA into the core region through interactions with H2A, unwrapping ∼20 bp of nucleosomal DNA. C/EBP⍺ binding, aided by PU.1's repositioning, unwraps ∼25 bp entry DNA. The PU.1 Q218H mutation, linked to acute myeloid leukemia, disrupts PU.1-H2A interactions. PU.1 and C/EBP⍺ jointly displace linker histone H1 and open the H1-condensed nucleosome array. Our study unveils how two pioneer factors can work cooperatively to open closed chromatin by altering DNA positioning in the nucleosome.

Pioneer transcription factors possess the unique ability to access DNA within tightly packed chromatin structures, playing pivotal roles in cell differentiation and reprogramming. However, their precise mechanism for recognizing nucleosomes has remained a mystery. Recent structural and biochemical investigations into the binding interactions between the human pioneer factor OCT4 and the LIN28B nucleosome by Sinha et al.1 and Guan et al.2 have yielded conflicting results regarding nucleosome positioning, nucleosomal DNA unwrapping, binding cooperativity, and the role of N-terminal tail of OCT4. In this study, we undertook a comparative analysis of these two research efforts and delved into the factors contributing to the observed discrepancies. Our investigation unveiled that the utilization of human and Xenopus laevis core histones, along with a discrete two-step salt dialysis method, led to distinct positioning of DNA within reconstituted LIN28B nucleosomes. Additionally, our reanalysis of the electrophoretic mobility shift assay data showed that H3 K27 acetylation did not increase OCT4 binding to the internal sites of the nucleosome when normalized to input; instead, it promoted sample aggregation. Thus, the available experimental data support the notion that the human LIN28B nucleosome is pre-positioned for efficient binding with multiple OCT4s, and there is no compelling evidence for its regulation by histone modifications.

In harsh flow environments, traditional particle-based velocimetry methods face challenges. This study explores the use of seedless schlieren images for velocimetry through a novel algorithm, namely, wavelet-based optical flow velocimetry (wOFV). Various data term constraints for wOFV were examined. It is found that the data term derived from the integrated continuity equation (ICE) outperformed the conventional displaced frame difference constraint and the schlieren-tailored constraints (SE and SSE). Evaluation based on the root mean square error (RMSE) and turbulence energy spectrum (TES) reveals that the choice of wavelet becomes insignificant for the optimal estimated velocity field when the wavelet support length is sufficiently long. In addition, the implementation of a proper truncation in wOFV shows little dependence of the RMSE on the weighting coefficient, therefore alleviating the uncertainty associated with selecting an appropriate weighting coefficient. It is found that the retrieved flow field from schlieren images approximates a down-sampled result based on available structural scales in images. Considering the prevalence of under-resolved velocity field in practical applications, schlieren-based wOFV offers a reasonable alternative to particle-based velocimetry, particularly in harsh flow environments.