Sulfo-SMCC Prevents Annealing of Taxol-Stabilized Microtubules In Vitro
微管的结构和功能已经在体外和细胞中得到了广泛的研究。研究表明，微管蛋白上的半胱氨酸在微管的聚合中起着至关重要的作用。在这里，我们表明，阻断巯基的半胱氨酸在紫杉醇稳定的聚合微管与常用的化学交联剂，防止时间的端到端的微管在体外退火。这可以显著影响微管的长度分布。交联剂磺基琥珀酰亚胺基4-（N-马来酰亚胺甲基）环己烷-1-羧酸酯（磺基-SMCC）由马来酰亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺酯基团组成，分别与巯基和伯胺结合。有趣的是，单独添加马来酰亚胺染料并没有显示出与稳定化微管中的退火相同的干扰。这项研究表明，微管蛋白的半胱氨酸的巯基是至关重要的聚合也是重要的微管的后续退火。
2016-08-31 physics.bio-ph
The Feasibility of Coherent Energy Transfer in Microtubules
曾经有人声称，生物系统过于温暖和潮湿，无法支持量子现象，主要是由于热效应破坏了量子相干性。然而，最近的实验结果和理论分析表明，热能可能有助于，而不是破坏，量子相干性，特别是在干燥的疏水内部的生物分子。具体而言，证据已经积累的必要参与的量子相干性和独特的安排在光捕获光合复合物的发色团之间的纠缠。令人惊讶的是，微管蛋白亚基蛋白，其中包括微管，也拥有独特的结构的发色团，即芳香族氨基酸，包括色氨酸。这些芳香族化合物的几何形状和偶极性质与光合单位中发现的那些相似，表明微管蛋白可能支持相干能量转移。微管蛋白聚集成微管几何晶格可能支持这样的能量传递，这可能是重要的生物信号和通信至关重要的生命过程。在这里，我们进行了一个计算的研究，通过偶极激发耦合到周围的热环境中的微管蛋白中的发色氨基酸之间的能量转移。我们提出的空间结构和能量特性的色氨酸残基的微管组成蛋白质微管蛋白。提供了支持信号沿微管传播的量子机制的条件的合理性参数。总的来说，我们发现在微管蛋白和微管中的相干能量传递是生物学上可行的。
2014-05-12 physics.bio-ph physics.chem-ph
A continuous model for microtubule dynamics with catastrophe, rescue and nucleation processes
微管是细胞骨架的主要组成部分，在体外和体内都具有高度的动态行为。我们提出了一个通用的数学模型，占的增长，灾难，救援和成核过程中的微管从微管蛋白二聚体的聚合。我们的模型是一个扩展的各种数学模型开发的早期制定，以捕捉和统一的微管蛋白聚合的各个方面，包括动态不稳定性，增长的微管饱和，时间局部化的成核和解聚期，以及同步振荡微管在各种实验条件下表现出。我们的模型虽然试图使用最少数量的可调参数，但涵盖了广泛的行为，并具有本文中讨论的预测功能。我们已经分析了由此产生的行为的微管改变每个参数值的时间和观察各种动力学制度的出现。
2009-09-25 physics.bio-ph
Electronic Energy Migration in Microtubules
微管蛋白二聚体的重复排列赋予微管很大的机械强度，微管被用作细胞内大分子运输的支架，并被用于生物杂交装置。微管中的晶体顺序，晶格常数足够短，允许氨基酸发色团之间的能量转移，类似于为光捕获而设计的合成结构。在光激发后，这些氨基酸发色团能否像天然或人工捕光系统那样沿微管传递激发能？在这里，我们使用色氨酸自发荧光寿命探测色氨酸间的能量跳跃在微管蛋白和微管。通过研究猝灭剂浓度如何改变色氨酸自发荧光寿命，我们证明了电子能量可以在微管中扩散超过6.6 nm。我们发现，虽然扩散长度的微管蛋白聚合状态（自由微管蛋白与微管蛋白在微管晶格）的影响，他们没有显着改变的平均数量的原丝（13对14）。我们还表明，麻醉剂依托咪酯和异氟烷的存在下，减少激子扩散。传统的Förster理论（考虑色氨酸和酪氨酸残基之间的相互作用）所解释的能量传递并不能充分解释我们的观察结果。我们的研究表明，微管出乎意料地是有效的光收集器。
2022-08-22 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.chem-ph
Growth and shortening of microtubules: a two-state model approach
本文提出了一个描述细胞中微管动态不稳定性的双态力学化学模型。MT在两种状态之间切换，组装状态和拆卸状态。在组装状态下，微管的生长包括两个过程：自由的GTP-微管蛋白结合到原丝（PF）的顶端和PF的构象变化，在此过程中，第一个向外卷曲的微管蛋白单元利用倒数第二个微管蛋白单元中GTP水解释放的能量重新排列到MT表面。在解装配状态下，微管的缩短也包括两个过程，即微管蛋白的释放和微管蛋白的卷曲。这两种状态之间的转换，通常被称为救援和灾难，随机发生的外力依赖率。通过对实验数据拟合得到了MT生长的两态模型参数，得到了MT生长的详细特性，发现MT主要处于组装状态，其平均生长速度随外力和GTP-微管蛋白浓度的增加而增加，在没有外力的情况下，MT的平均生长速度会缩短。为了更好地了解MT生长的外力和GTP-微管蛋白浓度依赖性，并为以后的实验验证这一双态模型，定义了11个{ \it临界力}，并进行了数值讨论.
2011-08-03 physics.bio-ph q-bio.SC
Polymorphism in tubulin assemblies: a mechanical model
我们研究了二维微管蛋白组装体中多态结构的机械起源，其中微管是最著名的例子。这些结构具有扭曲的带状物、扁平的微管蛋白片、微管和环，并且它们根据化学环境自发地组装。微管蛋白聚集体建模为最低各向异性弹性壳，并使用数值模拟和分析工作相结合，我们表明，微管蛋白晶格中的机械应变，起源于单二聚体水平的不对称性，自然会产生多态性组装，其中气缸和其他管状结构是占主导地位的自发曲率的值范围很广。此外，我们的模型表明，将片层的自发高斯曲率的符号从正（即球形）切换到负（即鞍形），可以提供一种可能的微管解体途径。
2022-09-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Transitions in Microtubule C-termini conformations as a possible Dendritic signaling phenomenon
我们模拟的C-末端的微管蛋白二聚体，包括神经元微管的动态状态。我们使用分子动力学和其他计算工具来探索微管内微管蛋白C-末端的构象状态的时间依赖性行为，并假设每个C-末端通过屏蔽库仑力与微管蛋白二聚体的表面、与相邻的C-末端以及与任何相邻的微管相关蛋白2（MAP 2）相互作用。每个C-末端可以通过几个带正电荷的区域之一与微管蛋白表面结合，或者可以允许探索二聚体周围溶液中可用的空间。我们发现，每个C-末端的优先取向是远离微管蛋白表面，但结合到表面也可能发生，虽然在一个较低的概率。我们的模型的结果表明，与周围的MAP 2的反离子的C-末端相互作用产生的扰动可能会传播的距离大于相邻的微管之间的距离。因此，MAP 2结构能够充当一种生物线（或电缆），其传输局部静电扰动，从而导致从一个微管到另一个微管的离子浓度梯度。我们简要地讨论了目前的动态建模可能对突触激活和增强的影响。
2005-06-17 physics.bio-ph physics.comp-ph q-bio.NC
Modeling oscillatory Microtubule--Polymerization
微管的聚合在生物细胞中普遍存在，并且在某些条件下，它会随时间振荡。在这里简单的反应模型进行分析，捕捉这种振荡以及微管的长度分布。我们假设反应条件是固定的许多振荡周期，这是一个霍普夫分岔，导致持续振荡微管聚合在这些模型中。导出了分岔阈值和振荡频率与反应速率的解析表达式，并给出了它们随参数变化的典型趋势。依赖于{ \it鸟苷三磷酸}（GTP）配体微管蛋白二聚体密度的突变率和延迟反应（如收缩微管的解聚或低聚物的衰变）都支持振荡。对于低于阈值的微管蛋白二聚体浓度振荡微管聚合发生瞬态的路线上的一个稳定状态，如所示的模型方程的数值解。在阈值附近导出了振幅方程，并证明了微管振荡的分岔是超临界的。
2002-10-07 physics.bio-ph q-bio.OT
Polymorphic Dynamics of Microtubules
从假设微管蛋白二聚体是一个构象稳定的分子-在室温下的弯曲和直的配置之间波动-我们开发了一个模型的微管晶格的多晶型动力学。我们表明，微管蛋白的双稳态一贯解释不寻常的动态波动，明显的长度-刚度关系的嫁接微管和弯曲的螺旋外观的微管一般。分析实验数据，我们得出结论，紫杉醇稳定的微管存在于高度合作，但强烈波动的螺旋状态。当被末端夹住时，微管经历了一种不寻常的零能量运动-在其效果上让人想起有限的旋转铰链。
2010-05-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Cell Microtubules as Cavities: Quantum Coherence and Energy Transfer?
本文提出了一个量子相干态在细胞微管中无耗散能量转移的模型。该模型是基于微管状排列的水化（水合）铁电性质。铁电性是必不可少的，在薄的内部区域，充满了有序的水，微管的微管蛋白二聚体壁附近的热损失提供必要的隔离。这些起到腔区的作用，类似于量子光学的电磁腔。因此，可能会在微管蛋白二聚体上形成电偶极子的（宏观）量子相干态。受量子光学的启发，提出了一些实验来证伪这种情况。
2000-09-21 physics.bio-ph quant-ph
Magnetic Field-dependent Isotope Effect Supports Radical Pair Mechanism in Tubulin Polymerization
本研究通过实验与模拟结合，发现镁同位素替换在约3 mT弱磁场下通过自由基对机制（源于核自旋而非质量差异）显著影响微管聚合，建立了量子自旋动力学与微管组装的直接联系。
2025-04-05 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Microtubule Dynamics and Oscillating State for Mitotic Spindle
我们提出了一个物理机制，可以导致有丝分裂纺锤体振荡。这种机制的驱动力来自于与细胞皮层相互作用的星形微管的聚合。我们表明，布朗棘轮模型的增长微管到达细胞皮层，介导的有效质量的纺锤体，因此迫使它振荡。我们比较了这种机制的预测与以前的机制，这是基于马达蛋白的影响。最后，我们结合微管聚合和马达蛋白的影响，并提出了详细的相图可能的振荡状态。
2010-05-18 physics.bio-ph q-bio.SC
On the Potential of Microtubules for Scalable Quantum Computation
利用微管的量子相干特性，通过偶极子相互作用实现抗退相干的纠缠态，为环境温度下的可扩展量子计算提供新途径。
2025-11-19 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph quant-ph
Mechanochemical modeling of dynamic microtubule growth involving sheet-to-tube transition
微管动力学在很大程度上受核苷酸水解和由此产生的微管蛋白构型变化的影响。从水解作用的角度提出了GTP帽模型来解释微管生长的稳定机制。此外，微管的生长还涉及到在其生长端弯曲片的闭合。曲率转换也有助于稳定连续的生长，并且弯曲的片层被称为构象帽。然而，对微管的机械-化学耦合生长过程的理论研究还很缺乏。在本文中，我们使用粗粒分子方法研究微管的生长机制。首先，模拟了板管过渡的闭合过程。结果验证了片层结构的稳定作用，并证明了稳定生长的最小构象帽长度是两个二聚体。然后，我们表明，构象帽可以独立的GTP帽的功能，机械因素的关键作用。此外，基于我们的理论结果，我们描述了一个Tetris样的微管生长风格：随机微管蛋白组装是由能量调节和协调与缝拉链，使片保持一个几乎恒定的长度在生长过程中。
2011-08-02 physics.bio-ph physics.comp-ph q-bio.SC
Beyond the tip: Lattice dynamics, seams, and the mechanism of microtubule fracture
Université Grenoble-Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；CNRS, Laboratoire Interdisciplinaire de Physique（法国国家科学研究中心，交叉物理实验室）；Saarland University（萨尔兰大学）；Experimental Physics and Center for Biophysics, Saarland University（萨尔兰大学实验物理与生物物理中心）；PharmaScienceHub (PSH)（制药科学枢纽）
本研究通过理论分析微管晶格断裂，发现接缝可加速损伤传播，确定纵向与横向结合能本征比值约1.5，挑战了此前的晶格各向异性预测，为完善生长模型提供了关键参数需求。
2026-08-28 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
Distribution of lifetimes of kinetochore-microtubule attachments: interplay of energy landscape, molecular motors and microtubule (de-)polymerization
在一个细胞分裂成两个子细胞之前，染色体进行复制，导致两个姐妹染色体相互拥抱。每个姐妹染色体都与一个单独的蛋白质结构结合，称为动粒（kt），它捕获了一个丝状蛋白质的尖端，称为微管（MT）。两个方向相反的MT拉动附着在两个姐妹染色体上的两个KT，从而将两个姐妹染色体彼此拉开。在这里，我们从理论上研究一个更简单的系统，即一个孤立的KT耦合到一个单一的MT，该系统模拟了{ \it在体外}实验，其中一个单一的kt-MT附件使用从芽殖酵母纯化提取物重建。我们的模型不仅解释了实验观察到的kt-MT耦合的“捕获键样”行为，而且还对附件的寿命的概率分布做出了新的预测。原则上，我们的新预测可以通过分析{ \it in-vitro}实验中收集的数据进行测试，前提是实验重复足够多的次数。我们的理论提供了一个深刻的洞察到（a）大小，（b）能量学，和（c）随机动力学的kt-MT耦合对这些附件的寿命分布的影响。
2014-03-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Microtubule polymerization generates microtentacles important in circulating tumor cell invasion
该研究通过FRAP实验与模拟揭示微管聚合是循环肿瘤细胞微触手形成的主要驱动力，并阐明微触手长度、弯曲刚度及粘附强度对肿瘤细胞附着血管壁的促进作用，为转移性癌症诊疗提供新思路。
2025-05-23 physics.bio-ph physics.med-ph
Feedback Mechanism for Microtubule Length Regulation by Stathmin Gradients
我们制定和分析的微管（MT）聚合动力学的信号蛋白Rac 1和stathmin的调节的理论模型。在细胞中，MT生长速率被胞质stathmin抑制，而胞质stathmin又被Rac 1灭活。生长中的MT在细胞边缘激活Rac 1，从而闭合正反馈回路。我们研究微管蛋白螯合和灾难促进的MT生长抑制stathmin的机制。对于一个均匀的stathmin浓度在没有Rac 1，我们发现一个开关样调节MT的平均长度stathmin。对于在单元边缘的组成型活性Rac 1，stathmin被局部去激活，这建立了活性stathmin的空间梯度。在这个梯度中，我们发现一个固定的双峰MT长度分布的两种机制的MT生长抑制stathmin。双峰长度分布的一个亚群可以确定与快速增长和长先锋MT的细胞边缘附近的区域，这已被实验观察到。通过MT激活Rac 1，反馈回路闭合。对于通过stathmin进行的微管蛋白螯合，这建立了具有两个稳定状态的TMT开关：一个稳定状态对应于上调的MT平均长度和双峰MT长度分布，即，先锋MT;另一个稳定状态对应于具有短MT的中断反馈。随机效应以及外部扰动都可能触发转换事件。对于促进stathmin的灾变，我们没有发现双稳态。
2014-12-09 physics.bio-ph q-bio.SC
Engineering quantum optical responses of microtubules through tryptophan-network simulations and ultraviolet spectroscopy
University of Waterloo（滑铁卢大学）
研究通过结合激子辐射耦合模型和分子动力学衍生的微管类组装，探讨通过色氨酸网络调控微管光学响应的可能性，实验支持了聚合和添加色氨酸对量子产率的影响。
2026-04-09 physics.bio-ph quant-ph
Mobility of Taxol in Microtubule Bundles
流动性的紫杉醇内微管进行了研究，使用荧光恢复后光漂白（FRAP）的流动排列束。束是由微管与GMPCPP或GTP在微管蛋白二聚体上的可交换位点。恢复时间是敏感的束的厚度和包装，表明紫杉醇分子能够横向移动通过束。通过控制GMPCPP样品溶液中紫杉醇的浓度来改变沿着微管的开放结合位点的密度。当> 63%的位点被占据时，恢复时间与紫杉醇浓度无关，因此与微观解离速率k_{off}成反比。发现10* k_{off}（GMPCPP）~ k_{off}（GTP）与紫杉醇在GMPCPP和GTP微管上的平衡常数的差异一致，但不能完全解释。在< 63%的位点被占据的情况下，两种类型的微管的恢复时间都随着~ [Tax]^{-1/5}而减少。我们的结论是，紫杉醇沿微管内部的扩散受阻的重新绑定事件时，开放网站是在7 nm的彼此。
2003-09-17 physics.bio-ph q-bio.SC
Quantum Brain?
为了建立一个新的模型的记忆和脑功能，我们专注于我们的方法的亚分子（电子），分子（微管蛋白）和大分子（微管）的神经细胞骨架的组成部分。由于它们的大小和几何形状，这些系统可以使用量子物理学原理来处理。我们确定了量子物理学衍生的机制，可以想象的基础上的集成但差异化的方面的记忆编码/回忆，以及分子基础的痕迹。我们将微管蛋白分子视为量子计算网络中的基本计算单元（量子位），该网络由微管（MT），MT网络以及最终的整个神经元和神经网络组成。我们推导出我们的量子脑假设的实验可检验的预测，并对这些进行实验。
2000-07-24 cond-mat.dis-nn hep-ph physics.bio-ph
Collective cargo hauling by a bundle of parallel microtubules: bi-directional motion caused by load-dependent polymerization and depolymerization
微管（MT）是直径约25 nm的中空管。管的两端是不同的，并被指定为“正”和“负”端。出于集体推和拉施加的一束MT在活细胞中的染色体分离过程中，我们在这里开发了一个非常简化的理论模型的一束平行的动态MT。在束中的所有MT的正端被永久地附着到一个可移动的“墙”的设备，其详细的结构是没有明确地在我们的模型中处理。唯一的要求是该装置允许每个MT在正端聚合和解聚。尽管不存在外力和MT之间的直接横向相互作用，但附接到壁的聚合MT组产生对抗解聚MT组的载荷力，反之亦然;对抗组的载荷由该组的成员均等地分担。MT之间的这种间接相互作用产生了丰富多样的集体动力学的可能状态，我们已经确定了计算机模拟模型在不同的参数制度。由聚合动力学的负载依赖性引起的货物的双向运动是“原理证明”，即染色体在细胞分裂之前的双向运动不一定需要马达蛋白的主动参与。
2015-01-09 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Emergent microtubule properties in a model of filament turnover and nucleation
本研究提出随机与PDE模型，揭示微管成核及长度调控机制决定微管长度与数量的涌现分布，并预测低成核致长度高变异、高成核致数量高变异，助力神经元微管调控理解。
2025-07-09 physics.bio-ph q-bio.SC
Dynamics and length distribution of microtubules under force and confinement
我们研究了微管聚合动力学与灾难和救援事件的三种不同的限制方案，这模仿典型的细胞环境：（i）微管是由刚性和固定的墙壁限制，（ii）它在恒定的力下生长，和（iii）它对弹性障碍物线性增加的力。我们使用现实的灾难模型和分析的微管动力学，由此产生的微管长度分布，并通过随机和平均场计算力的产生;此外，我们进行随机模拟。我们还研究了力的动力学，如果生长参数扰动稀释实验。最后，我们证明了我们的结果对突变模型和负荷分布因子的变化的鲁棒性。
2012-12-14 physics.bio-ph q-bio.SC
Microtubule depolymerization by the kinesin-8 motor Kip3p: a mathematical model
来自驱动蛋白-8家族的蛋白质促进微管（MT）解聚，这一过程被认为对于活细胞中微管长度的控制是重要的。除了这种MT缩短活性之外，驱动蛋白8是在MT上显示正末端定向运动的马达。在这里，我们描述了一个简单的模型，采用定向运动和不稳定的MT加端驱动蛋白8。我们的模型定量再现了在纯化的驱动蛋白8存在下稳定的MT的长度与时间的轨迹的关键特征，包括长度依赖性解聚。模型预测与实验的比较表明，驱动蛋白8解聚蛋白，即，一个马达可以从稳定的MT中去除多个微管蛋白二聚体。MT长度随时间的波动与解聚持续性有关。我们还确定了MT解聚速率依赖于长度的参数范围：长度依赖性解聚仅在MT足够短时发生;这种交叉对散装电动机浓度敏感。
2008-12-19 physics.bio-ph q-bio.SC
A continuum model for the growth of dendritic actin networks
树突状肌动蛋白网络的聚合是细胞生物学中重要的机械过程的基础，例如板状伪足的突出、神经元树突中生长锥的推进、细胞器和病原体的细胞内运输等。这些机械功能所需的力已经从肌动蛋白聚合的机械化学模型中推导出来;大多数模型都集中在单个生长的细丝上，只有少数模型通过模拟来解决细丝网络的聚合。在这里，我们提出了一个连续模型的表面生长和丝成核来描述聚合的树突状肌动蛋白网络。该模型描述了宏观应力，应变和细丝密度，而不是专注于个别细丝的增长和弹性。聚合反应的微观过程被归入动力学规律表征的长丝密度的变化和增长表面的传播。这种连续体模型可以预测不同实验中肌动蛋白网络的演化。分析的一个关键结论是，现有的法律有关力的聚合速度的单丝不能预测的反应不断增长的网络。因此，一个新的动力学规律，一致的耗散不等式，提出了捕捉不同负载条件下的树突状肌动蛋白网络的演变。该模型可以扩展到涉及机械应力和聚合动力学之间更复杂的相互作用的其他设置，例如微管、胶原蛋白丝、中间丝和碳纳米管的网络的生长。
2020-07-07 physics.bio-ph
Instrinsic oscillations of treadmilling microtubules in a motor bath
我们分析的动力学重叠的反平行微铣削微管的存在下，交联加工马达蛋白，抵消了外力。我们表明，耦合力依赖的速度的电机和动力学的电机交换与浴中存在的球磨导致一般的振荡行为。此外，我们表明，耦合聚合动力学的外力通过动力学的交联电机可以稳定的振荡不稳定性到有限振幅的非线性振荡，并可能导致其他情况下，包括双稳态。
2011-09-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Microtubule Length-Regulation by Molecular Motors
微管的长度调节对于许多细胞过程是必不可少的。分子马达，如驱动蛋白8，沿着MT移动，也作为解聚酶，被称为MT动力学的关键球员。然而，长度控制的调节机制仍然难以捉摸。在这里，我们调查了一个随机模型占聚合动力学和电机诱导解聚之间的相互作用。我们确定MT长度和方差对速率常数和运动浓度的依赖性。此外，我们的分析揭示了集体现象如何导致一个定义明确的MT长度。
2012-04-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Effects of microtubule mechanics on hydrolysis and catastrophes
我们介绍了一个模型，微管力学包含在相邻的原丝，二聚体的弯曲刚度，和原丝建模空间约束之间的排斥相互作用的侧键水解和灾难的机械力的影响进行调查。我们使用变构二聚体模型，其中微管蛋白二聚体的特征在于平衡弯曲角，其通过二聚体的水解从$0^\circ$变为$22^\circ$。这也会影响横向相互作用和弯曲能，从而影响微管的机械平衡状态。由于水解引起二聚体的构象变化，机械力也通过调节水解速率的机械能变化来影响水解速率。通过微管力学的相互作用，然后在水解动力学中产生相关效应，这是以前没有考虑到的。假设机械能对水解速率的主导影响，我们研究了矢量和随机水解的最可能的水解途径。调查的稳定性与横向键断裂，我们确定的初始配置沿水解途径和横向键断裂力的值的灾难。如果我们允许断裂的二聚体之间的横向债券在相邻的原丝超过这个阈值力，我们的模型表现出雪崩般的灾难事件。
2014-06-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Tracking of plus-ends reveals microtubule functional diversity in different cell types
许多细胞过程与微管（MT）的动力学密切相关。虽然在神经元轴突中，MT主要调节细胞内运输，但它们在许多其他真核细胞中参与细胞骨架重组，使细胞能够有效地适应环境的变化。我们发现，在不同的细胞类型和区域的MT的功能差异反映在MT提示的动态特性。使用加端跟踪蛋白EB1监测不断增长的MT加端，我们发现，MT动力学和生命周期在人类神经元轴突显着不同的成纤维细胞。正端密度以及拯救和灾难频率增加，而生长速率向成纤维细胞边缘降低。这导致相当稳定的丝状网络结构，并保持细胞核和膜之间的连接。与此相反，正端均匀分布沿轴突，并表现出不同的聚合运行时间和空间均匀的救援和灾难频率，导致MT段的各种长度。聚合的漂移长度和MT长度的概率分布都遵循近指数尾，与MT动力学的两态模型的分析预测一致。
2017-12-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Towards Experimental Tests of Quantum Effects in Cytoskeletal Proteins
越来越明显的是，通过分子自组装制备新型生物材料将在材料科学和未来的信息技术中发挥重要作用。微管蛋白，微管（MT）和细胞骨架是动态的，自组装系统，我们问他们的结构和功能是否包含如何制造生物分子信息处理设备的线索。在这里，我们回顾我们的转基因果蝇的神经生物学研究，强烈建议微管细胞骨架是细胞内信息处理和存储的“前线”附近。我们还建立了光谱技术，如折射率，表面等离子体共振传感和介电光谱，再加上分子动力学模拟和（量子）电动力学分析理论是有用的工具，在电动力学和可能的量子效应在细胞骨架蛋白质的研究。在我们的驱动问题中隐含的可能性是，如果微管蛋白和MT确实可以作为经典或量子计算机的基础，那么也许大自然已经这样做了，微管蛋白和MT已经在活的神经细胞和其他细胞中发挥了这样的作用。如果发现量子力学在细胞功能中很重要（通过它与蛋白质的关系），那么很自然地会问，是否真的存在与意识相关的量子效应。最后，我们提出了一些方法来直接在蛋白质水平上对这种“量子意识思想”（QCI）进行实验测试。
2005-05-11 physics.bio-ph
Quantum Information Flow in Microtubule Tryptophan Networks
University of Waterloo（滑铁卢大学）；Kadir Has University（卡迪尔哈斯大学）
研究微管色氨酸网络中量子信息流的机制，通过非厄米特哈密顿量和利普曼主方程分析信息传播与相关性耗散，揭示初始制备对信息方向和持续性的影响。
2026-02-02 physics.bio-ph quant-ph
Active Cytoskeletal Composites Display Emergent Tunable Contractility and Restructuring
细胞骨架是一个典型的活性物质系统，控制着从分裂到运动的各种细胞过程。虽然这两个积极的肌动球蛋白动力学和肌动蛋白微管的相互作用是关键的细胞骨架的多功能性和适应性，了解他们的相互作用是缺乏。在这里，我们夫妇微观实验与机械建模，以阐明如何连接，刚性和力的产生影响新兴的材料特性在体外复合材料的肌动蛋白，微管蛋白和肌球蛋白。我们使用时间分辨微分动态显微镜和空间图像自相关显示，弹道收缩发生在具有足够的灵活性和电机密度的复合材料，但一个关键部分的微管是必要的，以维持受控的动态。我们的主动双网络模型表明，变性肌动球蛋白网络是必不可少的收缩，但具有可比的肌动蛋白和微管密度的网络可以独特地抵抗机械应力，同时支持大量的重组。我们的研究结果为设计受细胞因子启发的材料提供了急需的蓝图，这些材料将可调性与弹性和适应性结合起来。
2021-04-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Molecular force spectroscopy of kinetochore-microtubule attachment {\it in silico}: Mechanical signatures of an unusual catch bond and collective effects
在力钳条件下，测量由单个微管（MT）与单个动粒（kt）{ \it in-vitro}形成的附着物的寿命较早揭示了捕获键样行为。在过去，这种明显违反直觉的现象的物理起源被追溯到MT的（解聚）动力学的力依赖性的性质。在这里，首先，相同型号的MT-kt附件受到随时间线性增加的外部张力，直到发生断裂。在我们的{ \it force-ramp}实验{ \it in-silico}中，该模型显示了由分子力光谱探测的捕获键的众所周知的“机械特征”。利用这一新证据，我们进一步加强了MT-KT附件和常见的配体-受体键之间的相似性，尽管它们的基本物理机制存在重大差异。然后，我们扩展的形式主义模型的随机动力学的一束多个平行的微管与一个单一的KT考虑力钳和力斜坡条件下的重新绑定的效果形成的附件。通过对该模型的数值研究，预测了随管束中MT数目的增加，平均寿命和平均断裂力的变化趋势。平均寿命时间和平均断裂力均与可同时连接到相同kt的MT的最大数量呈非平凡的非线性依赖关系。
2018-07-29 physics.bio-ph q-bio.SC
Strength and stability of active ligand-receptor bonds: a microtubule attached to a wall by molecular motor tethers
我们开发了一个随机动力学模型的一个预先形成的附件的微管（MT）与细胞皮质，其中的MT是拴系到细胞的一组活跃的马达蛋白。这种连接是配体-受体键的一种特别独特的情况：MT配体通过聚合-解聚动力学随时间改变其长度（从而改变结合位点），而多个运动受体倾向于沿着MT长度主动行走。这些过程，结合力介导的马达的解绑，导致MT连接到细胞皮层的复杂行为。我们目前的结果的强度和寿命的系统，通过完善的力钳和力斜坡协议时，外部张力施加到MT。模拟结果表明，MT细胞附着行为作为一个捕捉债券或滑移债券取决于系统参数。我们提供了分析近似的寿命和讨论的影响，我们的结果在体外实验。
2017-08-20 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.SC
Long-Range Repulsion Between Chromosomes in Mammalian Oocyte Spindles
本研究通过定量活细胞显微镜发现小鼠卵母细胞纺锤体中染色体存在长程排斥，并利用向列型液晶理论解释该现象，揭示了材料物理学在细胞结构组织中的新作用。
2024-03-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Buckling Soft Tensegrities: Fickle Elasticity and Configurational Switching in Living Cells
张拉整体结构是一种特殊的建筑结构，它是由一个连续的张拉索系统将浮动的压杆保持在一起而形成的。张拉整体结构可以呈现的形状的多样性以及它们可展开和组装的内在能力，因此存储（和释放）弹性能量，促使它们作为范例获得成功-由Donald E. Ingber-解释一些调节活细胞动力学的潜在机制。由肌动蛋白和中间丝和微管组成的细胞骨架的交错结构，通过聚合/解聚不断改变其空间组织和预应力，似乎通过服从张力整体结构来引导迁移，粘附和细胞分裂。即使粗略的计算导致估计差异时，比较肌动蛋白丝和微管的轴向刚度和最近的工作已经显示弯曲的微管，还没有人试图删除刚性支柱在tensegraties的假设时，用于理想化的细胞骨架力学。参考30单元张拉整体单元范例，我们引入了压杆的可压缩性和可弯曲性，并重写了理论，以考虑筋和杆的非线性弹性，从而放弃了经典的线性应力应变假设。通过放松假设的刚性的支柱，我们表明，一些定量的确认和许多极端的和某种程度上违反直觉的力学行为实际上利用细胞储存/释放能量，抵抗施加的负载和变形，通过调整其整体的弹性和形状，通过预应力的变化和不稳定性引导的配置切换，可以在理论上找到。
2019-04-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
On the force--velocity relationship of a bundle of rigid living filaments
在各种细胞过程中，像F-肌动蛋白和F-微管蛋白这样的生物丝能够利用与聚合相关的化学能来对外部负荷进行机械功。力-速度关系定量地概括了这一过程的性质。通过一个随机动力学模型，我们给出了一束交错排列的$N_f$刚性活纤维面对加载壁的演化，以及相应的力-速度关系。我们系统地计算了该模型在超临界条件下的简化演化过程$ρ_1=U_0/W_0>1$在$ε=d^2W_0/D=0$，其中$d$是单体尺寸，$D$是障碍扩散系数，$U_0$和$W_0$是聚合和解聚速率。此外，我们看到，在$ε=0$的解决方案是有效的一个很好的范围内的小的非零$ε$值。我们考虑两个经典的协议：束是反对一个恒定的负载或光学陷阱设置，其特征在于由谐波恢复力。对于每个$F$值，恒定力的情况导致在具有特征时间$τ_{micro}(F)$的松弛之后的稳定速度$V^{stat}(F;N_f,ρ_1)$。当束（最初被视为细丝种子的组件）受到谐波恢复力（光阱负载）时，束伸长并且负载在特征时间$τ^{OT}$内增加直到失速（平衡）。从这个单一的实验中提取，力-速度$V^{OT}(F;N_f,ρ_1)$曲线被发现与$V^{stat}(F;N_f,ρ_1)$一致，除了在低载荷下。我们表明，这一结果如下从$τ_{micro}$和$τ^{OT}$，即$τ_{micro}\llτ^{OT}$之间的绝热分离。
2017-08-23 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Theoretical study of vesicle shapes driven by coupling curved proteins and active cytoskeletal forces
真核细胞具有灵活的形状，根据细胞执行的功能动态变化。使细胞膜变形为所需形状的一种机制是通过表达弯曲的膜蛋白。此外，这些弯曲的膜蛋白通常与细胞骨架的募集有关，然后细胞骨架施加使膜变形的主动力。曲率和活性之间的这种耦合先前在小变形和低维度的线性极限中进行了理论探索。在这里，我们探讨了不受限制的形状的囊泡，含有活性弯曲膜蛋白，在三维空间，使用蒙特卡罗数值模拟。蛋白质的活性是以向外推动膜的膨胀力的形式，这可能是由于在膜附近发生的肌动蛋白或微管聚合而引起的细胞骨架。对于具有各向同性凸形状的蛋白质，额外的膨胀力增强了它们聚集并形成膜突起（芽）的趋势。此外，我们还发现了另一个从项链型聚集体的变形球体到扁平煎饼状囊泡的过渡，其中弯曲的蛋白质排列在外边缘。第二次转变是由主动力驱动的，再加上自发弯曲，由此产生的配置可能有助于了解粘附和运动细胞的板状伪足的组织。
2018-12-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
