How cells tiptoe on adhesive surfaces before sticking
细胞膜上布满了突起，这些突起用电子显微镜进行了彻底的分析。然而，细胞膜产生的纳米级三维运动以适应外来表面的地形并启动粘附仍然知之甚少。在这里，我们描述的动态表面变形显示的单核细胞碰撞对纤连蛋白涂层表面。我们观察到典型的5 nm振幅和5-10秒的寿命的膜波动。细胞膜表现为微米尺度的独立单元。细胞在50 nm分离处检测到外来表面的存在，导致膜波动的时间依赖性放大。分子接触，然后随之而来的明显的细胞膜分离30-40 nm，并在随后的几十秒内，这一距离稳步下降。接触成熟与大分子的平面内排出和强大的膜波动有关。因此，膜的起伏可能是细胞对底物形貌的敏感性、相互作用的结果和接触延伸的初始动力学的主要决定因素
2008-09-03 physics.bio-ph
Single-cell unroofing: probing topology and nanomechanics of native membranes
细胞膜将细胞内部与外部环境隔开。它们由各种脂质构成;它们的组成决定了膜蛋白的动态并影响细胞的适应能力。尽管模型膜的研究可以理解脂质之间的相互作用和整体力学，但对天然膜中的这些性质知之甚少。为了结合天然膜的拓扑结构和纳米力学分析，我设计了一种方法来研究从各种单细胞中分离的质膜。选择五种细胞类型并进行测试，揭示了20%的膜厚度变化。我探测了隔离膜对水的阻力，发现它们的线张力和扩散压力。这些结果表明，从神经元分离的膜比脑癌细胞膜更硬，扩散性更低。这种方法提供了直接的定量见解天然细胞膜的力学。
2018-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
Analyzing the effects of surface distribution of pores in cell electroporation for a cell membrane containing cholesterol
本文提出了一种生物细胞膜在外加电场（即，电穿孔）。该模型与已建立的电穿孔模型在两个不同方面不同。首先，它将胆固醇（~20%摩尔分数）的存在纳入生物膜中。其次，它认为孔的分布是从细胞的一个区域到另一个区域的跨膜电位变化的函数。配方是基于膜张力和电力的作用，在细胞膜，这被认为是一个无限薄的绝缘体中的孔的形成。该模型已被用来探索的创建和演变的孔隙的过程中，并确定作为所施加的电场（幅度和持续时间）的函数的孔隙的数量和大小。结果表明胆固醇的存在通过改变膜张力来增强穿孔。分析表明，孔的数量和平均孔半径从电池的一个部分到另一个部分显著不同。虽然细胞膜的一些区域经历快速和密集的穿孔，但其他区域不受影响。该方法可以是一个有用的工具，更现实的预测孔形成的细胞进行电穿孔。
2008-03-01 physics.bio-ph
Mechanical Plasticity of Cell Membranes Enhances Epithelial Wound Closure
本文通过可变形粒子模型模拟揭示果蝇胚胎外胚层细胞膜的弹塑性响应和幼虫翅成虫盘的纯弹性响应分别导致不同的伤口闭合表型，并成功重现两种组织的愈合行为。
2023-12-10 physics.bio-ph
On the possible mechanisms of the selective effect of a non-equilibrium plasma on healthy and cancer cells in a physiological solution
本文讨论了弱电离非平衡等离子体和电解质电流对培养皿中生理盐水中健康细胞和癌细胞选择性作用的可能机制。与等离子体源的相互作用导致渗透压的变化，这以不同的方式影响健康细胞和癌细胞中细胞膜的机电特性。由于膜的介电常数的不同值，电解质中产生的电流将健康细胞和癌细胞的膜充电到不同的电势差。我们假设癌细胞膜的介电渗透性低于健康细胞的介电渗透性，正如膜表面的单位容量一样，因此，通过细胞间电解质中诱导的电流充电而由膜获得的额外电势差在癌细胞中更大。这可能导致癌细胞膜的电穿孔，导致其凋亡，但不影响健康细胞。
2019-03-26 physics.bio-ph
Self-assembling redox-wires form the 2D power grid of energy converting cell membranes
光合作用的光驱动反应以及线粒体的能量供应都在含有高比例氧化还原脂质的专门膜内。蛋白质的迁移和氧化还原脂质的扩散被认为是沿着这种细胞膜的平面内电荷转移机制。使用膜上的芯片设置，我们表明，氧化还原活性模型膜可以进行和维持惊人的高（mA）电流与典型的半导体电阻率。我们的数据表明，细胞壁内的电荷转移托管电子转移链驱动的自组装分子氧化还原线，有效地耦合氧化还原蛋白质的同时在膜内的平面跳跃的电子和质子。这完全改变了我们对脂质膜作用的理解，具有广泛的影响，表明例如导电膜可能是进化复杂的生命氧化还原机制的前体，并且电化学膜劣化可能在线粒体衰老中起重要作用。此外，这些自组装有机2D导体提供了技术上可利用的特征，允许设计自组装和自适应生物电子器件。
2021-04-15 physics.bio-ph
Antibody binding reports spatial heterogeneities in cell membrane organization
本研究结合实验与模拟，通过量化IgG抗体结合亲和力，以纳米级分辨率报告了活细胞膜上拥挤度的空间异质性，支持脂筏样结构域排除大蛋白的假说，为单抗设计提供新方法。
2022-12-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Near-critical fluctuations and cytoskeleton-assisted phase separation lead to subdiffusion in cell membranes
我们通过对双组分脂质膜进行蒙特卡罗模拟，研究了细胞膜微观异质性和异常亚扩散之间的关系。我们发现，近临界波动的膜导致瞬态亚扩散，而膜-细胞骨架相互作用强烈影响相分离，增强亚扩散，并最终导致跳扩散的脂质。因此，我们提出了一个最小的现实模型膜筏显示微观相分离和亚扩散的功能。
2010-11-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Origin of subdiffusion of water molecules on cell membrane surfaces
水分子在为细胞膜上的生物反应提供独特的环境方面发挥着重要作用。人们普遍认为，水分子形成连接脂质分子和稳定细胞膜的桥梁。利用全原子分子动力学模拟，我们发现水分子在脂膜表面的平移和旋转扩散表现出亚扩散。此外，我们提供的证据表明，发散平均捕获时间（连续时间随机游走）和长期相关的噪声（分数布朗运动）有助于这种次扩散。这些结果表明，在细胞膜上的亚扩散导致水阻滞，细胞膜的稳定性增强，和更高的反应效率。
2014-01-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.comp-ph
Collective Properties of the Exactly Solvable Model of Ion-Channel Assemblies in a Biological Cell Membrane
提出了跨细胞膜形成的离子通道系统的行为。首先引入具有无限耦合的无限数量的通道作为详细推导热平衡概率分布和相变分类的参考点。接下来讨论有限系统中的涨落。我们提出了一个新的，阶梯状的离子通道切换模型，我们提供的分析结果。并给出了该模型与实验的关系。最后，借助精确对角化技术对有限通道数膜的主方程进行了数值分析。特别是，亚稳态溶液的衰减时间估计。所得结果与微扰法所得结果不一致，用所提出的冻结扩散法解释了这一差异。
2002-03-29 physics.bio-ph physics.gen-ph q-bio
Continuous monitoring of membrane protein micro-domain association during cell signaling
理解膜结合细胞信号传导的核心是量化由瞬时空间结构域组成的膜超微结构如何调节信号传导以及信号传导如何影响该超微结构。然而，测量膜蛋白与活的完整细胞中的结构域的关联带来了相当大的挑战。在这里，我们描述了一种非破坏性的方法来量化蛋白质-脂质结构域和蛋白质细胞骨架的相互作用，在单一的，完整的细胞，使连续监测的蛋白质结构域的相互作用随着时间的推移，在信号。
2011-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
Kinetic Membrane Model of Outer Hair Cells I: Motile Elements with Two Conformational States
外毛细胞（OHC）在放大Corti器官的运动中的有效性，从而有助于哺乳动物听觉的灵敏度，取决于这些细胞的机械功率输出。机电耦合在OHC，使这些细胞将电能转化为机械能，已被详细分析使用隔离的细胞，主要是静态膜模型。在先前的报告中，OHC的机械输出通过基于简化的一维（1D）OHC模型开发动力学理论来评估。在这里，这样的动力学描述的OHCs扩展使用的膜模型，已用于分析在体外实验。本理论预测，对于没有惯性负载的系统，由于膨压，弹性负载增强了膜电容的电压依赖性的正移。对于具有惯性的系统，机械功率输出也取决于膨压。然而，最大功率输出与先前基于1D模型的高达~10 fW的预测相似。
2020-05-11 physics.bio-ph
Quantifying protein densities on cell membranes using super-resolution optical fluctuation imaging
表面分子以不同的模式和簇分布在细胞膜上，影响活细胞的重要功能。因此，了解它们在不同生理和病理条件下的分子表面组织非常重要。在这里，我们提出了一种无模型的，定量的方法来确定基于TIRF照明和超分辨率光学波动成像（SOFI）的细胞表面分子的分布。这种基于SOFI的方法对于单发射器多次闪烁事件、高标记密度和高闪烁率是鲁棒的。在SOFI中，分子密度不是基于计数事件，而是由于强度波动的相关性而作为固有性质的结果。使用模拟数据以及研究棕榈酰化对静息T细胞质膜中CD4蛋白纳米级分布的影响的实验数据来验证该方法的有效性和稳健性。
2017-04-05 physics.bio-ph
Towards a quantum approach to cell membrane electrodynamics
生命介质的最终活性成分，膜、离子和分子，都处于纳米水平。因此，它们的相互作用需要量子处理。行动A的特征，与“量子对象”：离子，自由基，水分子.活介质的A ~= 14.10-34 J·s或A ~= 2 h。因此，制定一个现实的“经典”膜电动力学理论是完全不可能的。然后，在隧道效应的作用下，可以确保钠离子的转移（与哈特曼？的机制）具体的通道和离子转移。
2009-02-17 physics.bio-ph
The avian tectorial membrane: Why is it tapered?
虽然哺乳动物和鸟类的内耳具有明确的音调组织以及专门用于运动和感知作用的毛细胞，但鸟类耳朵的结构组织与哺乳动物耳蜗不同。据推测，这种差异源于运动毛细胞功能的差异。短毛细胞，其作用被认为类似于哺乳动物的外毛细胞，可能依赖于它们的毛束，而不是它们的细胞体的运动性，提供耳蜗放大器的运动元件。这份报告的重点是鸟类的顶盖膜的作用，特别是通过解决这个问题，“为什么是鸟类的顶盖膜锥形从神经到abneural方向？"
2015-09-30 physics.bio-ph
Three-dimensional phase field model for actin-based cell membrane dynamics
研究了浸没在三维细胞外基质中的三维细胞的界面动力学。我们建议一个已知的2D最小相位场模型的3D推广建议在[1]中的角膜细胞运动的描述。我们的模型由两个耦合的序参量和一个三维矢量场描述肌动蛋白网络的极化（方向）的演化方程。我们推导出一个封闭的演化积分微分方程的界面动力学的三维细胞。该方程包括膜的法向速度、膜的曲率、细胞体积松弛以及由细胞骨架中的非平衡效应确定的参数。该方程可以被认为是在[2]中导出的2D情况的3D推广。
2021-06-03 physics.bio-ph
Optimal surface topography for cell adhesion is driven by cell membrane mechanics
在许多研究中使用用氧化钛纳米管处理的钛表面来量化表面形貌对细胞命运的影响。然而，预测的最佳直径的纳米管之间的研究有很大差异。我们提出了一个模型，解释细胞黏附纳米结构的表面，考虑变形能的细胞突起到钛纳米管和粘附表面。最佳表面拓扑被定义为使膜具有最小能量形状的几何形状。提出了一个无量纲参数--细胞相互作用指数，用以描述细胞膜弯曲、内曲率和细胞黏附强度之间的相互作用。模型模拟表明，最佳的纳米管直径范围为20 nm至100 nm（细胞相互作用指数之间的0.2和1，分别）是可行的，在一定范围内的参数描述的粘附力和弯曲能。结果表明，有可能调整纳米结构表面的拓扑结构，以提高细胞的增殖和分化与给定的表面几何形状机械兼容，同时抑制其他机械不兼容的细胞的生长。
2020-06-30 physics.bio-ph q-bio.CB
Theoretical Calculation of the Electric Field in the Vicinity of a Pore Formed in a Cell Membrane
生物细胞膜的电穿孔是在约1000 mV的跨膜电位下几乎普遍发生的现象。孔形成的理论已经基于电压缩（Crowley 1972，Malderelli和Steebe 1992）、局部膜缺陷（Abidor和Chizdhmazdev 1979，Weaver和Mintzer 1981，Sugar 1981）提出，并且统计模型由（Sowers和Lieber 1986）提出。然而，这些理论一般不导出孔内的电场的形式。在本文中，我们提出了一个观点，这是有用的描述生物膜。我们还推导出一个近似的功能形式的电场的区域中的孔形成的膜。
2002-06-11 physics.bio-ph q-bio.QM
Cell membrane disruption by vertical nanopillars: the role of membrane bending and traction forces
获得进入细胞内部的通道对于许多应用是基本的，例如电记录、药物和生物分子递送。一种非常有前途的技术包括在纳米/微柱上培养细胞。与纳米结构接触的细胞的紧密粘附和高度局部变形可以促进脂质在质膜处的透化，从而提供进入内部隔室的途径。然而，关于何时以及如何靶向细胞内环境以及几何形状和与表面相互作用的作用，仍然存在很多实验争议。因此，我们研究，粗粒度的分子动力学模拟的细胞膜，高应变和弯曲条件下的脂双层的机械性能。我们发现，脂质双层的高曲率显著降低了实现膜破裂所需的牵引力。之后，我们实验研究了具有可比的纵横比，但在边缘不同的锐度值的柱的细胞膜的透化速率。实验数据支持模拟结果：即使是直径在微米范围内的柱，当它们的边缘足够尖锐时，也可能导致局部膜破裂。因此，透化可能性与柱的局部几何特征有关，而不是与直径或纵横比有关。本研究也可以为组织工程和细胞生长的三维生物界面的设计提供显着的贡献。
2018-04-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Critical Casimir forces in cellular membranes
最近的实验表明，活细胞的膜被调谐到接近2D伊辛普适性类中的可分辨性临界点。我们建议，这种接近活细胞中的临界性的一个作用是提供一个管道相对较长的临界卡西米尔部队。利用共形场论的技术，我们计算了膜结合夹杂物介导的局部相互作用与组成序参量之间的平均力的潜力。我们验证这些计算使用蒙特卡洛，我们也比较临界和非临界的结果。我们的研究结果表明，膜结合蛋白质的经验弱，但长距离的部队介导的关键组成波动的活细胞的质膜。
2012-08-03 math-ph math.MP physics.bio-ph
Negative membrane capacitance of outer hair cells: electromechanical coupling near resonance
哺乳动物耳朵处理高达$\sim$ 100 kHz的高频声音的能力是基于外毛细胞（OHC）响应高频刺激的能力。这些细胞在其细胞体中显示出与电荷运动相结合的独特运动性。有了这个能动的元素，刺激在它们的发束产生的电压变化驱动细胞体，反过来又放大了刺激。体外实验表明，这些电荷的运动显着增加了膜电容，通过额外衰减电压变化来限制运动活性。然而，人们发现，这种效果是由于没有机械负荷。在存在机械共振的情况下，例如在体内条件下，预期活动电荷的移动在共振频率附近产生负电容。因此，这种运动机制在高频下是有效的。
2017-03-15 physics.bio-ph
Forced- and Self-Rotation of Magnetic Nanorods Assembly at the Cell Membrane: A Biomagnetic Torsion Pendulum
为了深入了解各向异性纳米物体如何与活细胞膜相互作用，并可能自组装，我们通过在磁场下在聚合物基质内组装氧化铁纳米立方体来设计平均尺寸约为100 nm x 1 $μ$ m的磁性纳米棒。然后，我们探讨了在旋转磁场的影响下，在细胞膜的纳米生物界面。我们观察到纳米棒与膜交织在一起的复杂结构。出乎意料的是，在磁旋转刺激后，所产生的macrorods能够自由旋转多次旋转，揭示了生物磁扭摆的创造。
2018-07-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Lipid bilayer fluidity and degree of order regulates small EVs adsorption on model cell membrane
本研究利用三阴性乳腺癌来源sEVs与合成脂质双层模型，通过时间分辨原子力显微镜揭示细胞膜流动性与有序度对sEVs吸附与融合的调控作用，强调膜生物物理特性在摄取中的关键地位。
2023-07-27 physics.bio-ph q-bio.BM
Important factors for cell-membrane permeabilization by gold nanoparticles activated by nanosecond-laser irradiation
目的：脉冲激光照射附着在细胞上的吸光金纳米颗粒（AuNPs）瞬时增加细胞膜通透性，用于靶向分子递送。在这里，我们用AuNPs靶向卵巢癌细胞系OVCAR-3上的EGFR。为了优化膜渗透性并证明分子递送到贴壁OVCAR-3细胞中，我们系统地研究了不同的实验条件。材料和方法：通过缀合针对EGFR的抗体西妥昔单抗使AuNP（30 nm）官能化。通过银染、多光子成像和荧光寿命成像证明了颗粒的选择性结合。激光照射后，OVCAR-3细胞的膜通透性在不同条件下的金纳米粒子浓度，细胞孵育介质，和细胞-金纳米粒子孵育时间进行了研究。通过流式细胞术、测量碘化丙啶和异硫氰酸荧光素-葡聚糖摄取来评估膜渗透性和细胞活力。结果：EGFR-AuNP可有效靶向贴壁生长的OVCAR-3细胞。激光照射导致成功的透化，150 kDa的葡聚糖被成功地递送到细胞中，效率约为70%。结论：抗体靶向和激光照射的金纳米粒子可用于将分子递送到粘附细胞中。功效不仅取决于激光参数，而且取决于AuNP：细胞比率、细胞孵育介质和细胞- AuNP孵育时间。
2018-10-07 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.TO
Cellular uptake of active nonspherical nanoparticles
本文建立理论模型研究自驱动非球形纳米颗粒的细胞摄取，揭示活性力引发的一级包裹转变及多参数相图中的复杂行为。
2023-12-10 physics.bio-ph
The surface charge of a cell lipid membrane
本文研究了浸于生理溶液中的脂膜表面电荷问题。结果表明，双层磷脂膜表面两侧均带负电荷。建立了溶液中电位的自洽模型，发现膜表面存在一个固定的电荷密度，表明表面电荷离子位于相对较深的势阱中（与kBT相比），该势阱位于磷脂膜的偶极头附近。它使得离子不可能沿着膜表面滑动。简单的实验验证所考虑的模型的正确性。一个发达的方法可以用于估计的细胞的外膜和内膜上的表面电荷。
2014-10-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Models of dynamic extraction of lipid tethers from cell membranes
当与完整的膜受体结合的配体被拉动时，膜和下面的细胞骨架可以在膜从细胞骨架脱层或配体从受体分离之前变形。如果膜从细胞骨架脱层，它可能会被进一步挤压并形成膜系链。我们开发了一个现象学模型，这个过程假设变形服从胡克定律的临界力，在该临界力下，细胞膜局部脱离细胞骨架和膜系链的形式。我们计算系绳形成的概率，并表明，它们只能在一个中间范围内的力加载速率和拉速度被挤出。计算配体脱离时产生的平均系链长度，以及产生最长系链的力加载速率和牵拉速度。
2010-02-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Ultrasound vibrations of plant cells membranes: water lift in trees, electrical phenomena
离子流改变植物细胞膜上的电荷密度（电位），导致压缩细胞膜的库仑力和抵消胡克弹性力的不平衡。随着超声波和电磁辐射的产生，将导致膜的振动，直到建立新的平衡。这种振动导致声流，其功率足以使树木中的水上升，其脱气，植物中的cycloses和一些电现象等。这种现象解释了已知的树木中的超声噪声和韧皮部流中颗粒的重新分布的观察结果。已知的监督和植物解剖学的考虑导致在xilem和3倍更大的韧皮部中的声流的频率的估计的顺序为150-200 kHz。所提供的机制的检查可以通过调查植物的声辐射和电磁辐射来进行。关键词：工厂，超声波，声流，液压PACS：43. 25. Nm，43. 38.+ n，43.80。p，82.39.Jn，87.80.Vt
2006-11-14 physics.bio-ph
Quantitative description of ion transport via plasma membrane of yeast and small cells
通过质膜离子运输的建模需要识别和定量的了解所涉及的过程。酵母细胞的主要离子转运系统（Pma1，Ena1，TOK1，Nha1，Trk1，Trk2，非选择性阳离子电导）的简要表征和确定每个典型细胞的每个转运蛋白的分子的确切数量使我们能够预测相应的离子流。本文对酵母细胞和几种动物细胞的离子转运进行了比较。强调了细胞体积与表面比的重要性。细胞壁和脂筏的作用进行了讨论，在所需的增加测量的空间和时间分辨率。结论是制定在酵母细胞中的离子运输的具体特点。基于这些假设，本文提出了未来研究的可能方向。
2016-01-16 physics.bio-ph q-bio.SC
Theory of cell membrane interaction with glass
细胞膜与玻璃的相互作用有三种方式-紧密和松散的粘附，由排斥分开。解释包括水合作用，本文评估的离子相关和离子屏蔽静电，和电磁波动的距离的函数之间的表面的压力。结果与紧密粘附能（0.5-3 vs 0.4-4 mJ/m2）、脱离压力（7.9 vs 9 MPa）和峰值排斥（3.4-7.5 vs 5-10 kPa）的数据一致，也匹配排斥的距离依赖于主要来自波动的空间压力的重整化。
2021-03-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Membrane Mechanics of Endocytosis in Cells with Turgor
内吞作用是细胞将细胞外膜和物质内化的一个重要过程。在具有膨压的细胞中，压力对抗膜变形，并且增加必须由内吞机制产生的力的量。为了确定这个力，并计算膜的形状，我们使用物理理论来模拟压力下的弹性表面。假设包被的膜是高度刚性的，并优先弯曲的内吞部位的实验配置文件的准确拟合。肌动蛋白机械所需的力在变形开始时达到峰值，这表明一旦内陷开始，内吞就不太可能在完成之前停止。外壳蛋白不降低起始力，但可能通过它们诱导的曲率影响该过程。在各向同性曲率诱导剂的存在下，拉动内陷的尖端可以触发在内陷的基部处形成颈部。因此，可能不需要肌动蛋白直接收缩颈部，而它的牵拉作用是必不可少的。最后，该理论表明，各向异性曲率效应器稳定膜内陷，因此新月形BAR结构域蛋白（如Rvs167）的丢失可能引发膜断裂。
2015-09-02 physics.bio-ph q-bio.SC
Effects of disorder in location and size of fence barriers on molecular motion in cell membranes
从理论上研究了跨膜分子如蛋白质和脂质在细胞膜中运动时遇到的能量高度和栅栏屏障物理位置的无序效应。调查作为其出发点最近的分析周期性系统的恒定距离之间的障碍和恒定值的障碍高度，并采用有效介质理论来治疗的障碍。的计算使得可能的，在原则上，提取的限制参数，如平均房室大小和平均房室间的过渡率从实验报告发表的意见。作为有效介质理论的一个不寻常的应用，以及对细胞膜中观察到的分子运动的研究，这种分析应该是有帮助的。
2008-04-25 physics.bio-ph q-bio.QM
Mapping the energy and diffusion landscapes of membrane proteins at the cell surface using high-density single-molecule imaging and Bayesian inference: application to the multi-scale dynamics of glycine receptors in the neuronal membrane
蛋白质迁移率通常是根据有效扩散来分析的。然而，这种描述往往不能正确区分和评估的物理参数（如膜摩擦）和生化相互作用的运动。在这里，我们提出了一种结合高密度单分子成像和统计推断的方法，以约100 nm的分辨率（采集时间为几分钟）分别绘制细胞表面膜蛋白的扩散和能量景观。当将这些分析工具应用于抑制性突触处的甘氨酸神经递质受体（GlyR）时，我们发现桥蛋白支架充当GlyR的浅能量陷阱（~3 kBT），其深度由受体-桥蛋白相互作用回路的生化性质调制。反过来，推断的地图可以用来模拟膜中蛋白质的动态，从单个受体的水平到群体的水平，从而模拟生理参数的随机波动（例如突触处的受体数量）。总的来说，我们的方法提供了一个强大而全面的框架，用于分析活细胞中的生化相互作用，并破译复杂细胞环境中生物分子的多尺度动力学。
2015-02-25 physics.bio-ph q-bio.QM
Single-molecule imaging of the H-ras membrane-anchor reveals domains in the cytoplasmic leaflet of the cell membrane
在过去的十年中，有证据表明，直径为50-700 nm的小区域位于质膜的外质小叶中。这些结构域中的大多数被认为由特定的脂质和蛋白质组成，并且被认为协调信号转导级联。类似的结构域是否也存在于质膜的细胞质小叶中，目前尚不清楚。为了研究胞质小叶结构域的存在，将H-Ras膜靶向序列融合到增强型黄色荧光蛋白的C末端。使用单分子荧光显微镜，记录单个分子在质膜的细胞质小叶中扩散的轨迹。从这些轨迹，个别膜锚定的增强黄色荧光蛋白分子的扩散进行了研究，在活细胞的时间尺度从5到200毫秒。结果表明，30-40%的分子的扩散被限制在域与一个典型的大小为200 nm。肌动蛋白的分解和胆固醇的提取都没有显著改变结构域的特征，这表明所观察到的结构域可能与迄今为止确定的膜结构域无关。
2007-04-29 physics.bio-ph physics.optics
Pattern formation by curvature-inducing proteins on spherical membranes
空间组织是所有活细胞的标志，在模型系统中重新创建它是创建合成细胞的必要步骤。因此，更好地理解细胞空间组织的基本机制具有根本性和实际意义。在这项工作中，我们使用一个连续模型的膜和蛋白质动力学研究的曲率诱导蛋白质的球形膜，如活细胞或脂质囊泡的行为。我们发现，曲率能量，熵力和膜上的几何约束之间的相互作用，可以导致在膜上的高度弯曲/蛋白质丰富和弱弯曲/蛋白质贫乏域的模式的形成。这种模式的自发形成可以通过曲率诱导蛋白的平均密度的增加来触发，或者通过由膜张力或通过将膜束缚到刚性细胞壁或皮层而施加的膜上的几何约束的松弛来触发。这些参数也可以被调整以选择在斑图形成时出现的富含蛋白质的结构域的大小和数量。这里提出的非常普遍的机制可能与许多生物过程中的蛋白质自组织有关，从（原）细胞分裂到膜筏的形成。
2017-12-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Fluctuations of a membrane nanotube covered with an actin sleeve
许多生物功能依赖于细胞膜的重塑，特别是纳米管，其在体内被动态肌动蛋白网络覆盖。纳米管受到热波动的影响，但这些对细胞功能的影响尚不清楚。在这里，我们使用粘附在脂质体膜上的光学捕获珠粒从脂质体形成纳米管。从这个珠子的功率谱密度，我们研究了在体内测量的膜张力范围内的纳米管波动。我们发现，覆盖在纳米管上的肌动蛋白套筒由于网络的粘弹性而抑制了其高频波动。我们的工作为进一步研究纳米管波动对细胞功能的影响铺平了道路。
2020-06-30 physics.bio-ph
Molecular motion in cell membranes: analytic study of fence-hindered random walks
提出了一种描述细胞膜中跨膜分子受限运动的理论计算方法。这项研究是分析的基础上，主方程的分子移动的概率随机游走，并导致明确可用的解决方案，包括分子的均方位移和有效扩散常数的表达式。一个结果是详细了解的时间变化的均方位移的初始位置的分子内的封闭区域的依赖性。如何使用的计算说明提取（限制）室大小从实验报告发表的意见，从单粒子跟踪实验的金标记的G-蛋白偶联μ阿片受体在正常大鼠肾细胞膜的扩散，并通过进一步比较分析结果观察磷脂的扩散，也在正常大鼠肾细胞。
2008-04-25 physics.bio-ph q-bio.QM
Protein over-expression can induce the elongation of cell membrane nanodomains
在细胞膜中，蛋白质和脂质被组织成不同大小、形状和组成的亚微米纳米结构域，执行特定的功能。尽管它们的生物学重要性，这些纳米结构域的详细形态仍然未知。由于它们的小尺寸，它们不仅很难被传统的显微镜观察到，而且在描述它们的结构和形状的理论模型上也没有完全的共识。在这里，我们使用的分析计算和蒙特卡罗模拟的基础上耦合膜的组成和形状的模型的组合，以显示，增加蛋白质浓度导致膜纳米结构域的延长。这些结果得到了HIV受体单粒子跟踪测量的证实，HIV受体在专门设计的活细胞膜中的表达水平可以调节。这些发现强调了蛋白质丰度可以调节纳米结构域的形状和潜在的生物学功能。除了生物膜之外，这种介观模式化机制在几种软物质系统中具有相关性，因为它依赖于通用的物理参数。
2022-12-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Inferring maps of forces inside cell membrane microdomains
细胞膜中生物分子上的力的映射已经刺激了有效标记的发展，例如有机荧光团和纳米颗粒，以跟踪单个生物分子的轨迹。标准方法使用特定的统计数据，即均方位移，来分析潜在的动力学。在这里，我们引入一般的推理方法，充分利用实验轨迹中的信息，提供膜微区中的力和扩散系数的精确估计。快速和可靠的收敛性的推理方案证明了数值生成的轨迹。然后，该方法被应用于推断力和电位作用于由镧系元素离子纳米颗粒标记的$ε$ -毒素的受体。我们的方案适用于任何标记的生物分子，结果显示其与膜区室化的一般相关性。
2015-02-21 physics.bio-ph q-bio.QM
Infrared Surface-Plasmon-Resonance -- a novel biophysical tool for studying living cell
讨论了基于傅里叶变换红外光谱（FTIR）的表面等离子体共振（SPR）技术。我们探讨了潜在的红外表面等离子体共振技术在水溶液中的生物学研究，并将其与传统的表面等离子体技术在可见光范围内操作。我们证明，SPR技术在红外范围内的灵敏度并不低，事实上甚至更高。我们展示了几个应用FTIR-SPR进行生物学研究的例子：（i）监测溶液中的D-葡萄糖浓度，以及（ii）测量悬浮液中红细胞对D-葡萄糖的摄取。我们强调的优势，红外SPR研究活细胞培养，并显示这种技术可以用于表征（i）胆固醇渗透到质膜，和（ii）转铁蛋白诱导的网格蛋白介导的内吞作用。
2010-02-03 physics.bio-ph physics.med-ph
Cooperative response and clustering: consequences of membrane-mediated interactions among mechanosensitive channels
机械敏感（MS）通道是离子通道，充当细胞的安全阀，当渗透压变得太高时打开，并通过释放离子使细胞避免损伤。它们存在于大量生物体的细胞膜上。它们通过它们在膜中引起的变形而相互作用。我们发现，集体动力学所产生的通道间的相互作用导致第一和第二阶相变在平衡有关的形成通道集群的开放通道的分数。我们发现，这导致在相当大的延迟的细胞对渗透压冲击的反应，并在其响应时间的极端细胞到细胞的随机变化，尽管大量的通道存在于每个细胞。我们讨论了我们的结果是如何相关的{ \it E。coli}。
2017-06-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Monte Carlo simulation for statistical mechanics model of ion channel cooperativity in cell membranes
电压门控离子通道是在可兴奋细胞膜中产生和传播电信号的关键分子。这些通道在传导和非传导状态之间的电压依赖性切换是控制跨膜电压的主要因素。本文在二维自旋模型的基础上讨论了这些分子的统计力学模型。引入一种新的哈密顿量和一种新的蒙特卡罗模拟算法来模拟这种模型。结果表明，该结果与使用切开轴突技术从乌贼巨轴突中的蛙毒素修饰的钠通道获得的实验数据很好地匹配。
2008-12-22 physics.bio-ph physics.comp-ph
Curvature instability of an active gel growing on a wavy membrane
Institut Curie, Université PSL, Sorbonne Université（居里研究所，巴黎文理研究大学，索邦大学）
本文建立耦合黏性活性肌动蛋白凝胶、膜变形与曲率敏感成核因子募集的理论模型，揭示曲率反馈可使膜线性失稳并自发形成细胞突起。
2025-10-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Pattern formation, localized and running pulsation on active spherical membranes
肌动蛋白-肌球蛋白皮质与细胞膜偶联产生的主动力允许细胞变形，对环境做出反应，并介导细胞运动和分裂。几种膜结合的激活蛋白沿着它移动，并耦合到膜曲率。此外，它们还可以作为丝状肌动蛋白生长的成核位点。肌动蛋白聚合可以在膜上产生局部向外的推力。来自收缩性肌动球蛋白皮质的向内拉力可以通过肌动蛋白丝沿着膜传播。我们使用场的耦合演化来进行线性稳定性分析和数值计算。由于活性克服了诸如表面张力和抗弯刚度的稳定因素，球形膜显示出朝向斑图形成、局部脉动和极间运行脉动的不稳定性。我们提出我们的结果在相图和耦合场的演化。它们与活细胞相关，并且可以在人工细胞样构建体的实验中得到验证。
2021-09-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Planar Optical Nanoantennas Resolve Cholesterol-Dependent Nanoscale Heterogeneities in the Plasma Membrane of Living Cells
光学纳米天线可以有效地将光限制在纳米级热点，从而在生物相关条件下实现单分子检测灵敏度。这种突破衍射极限的创新方法提供了一个多功能平台，用于研究活细胞膜中单个生物分子的动力学及其分配到胆固醇依赖性脂质纳米结构域中。在这里，我们提出了光学纳米天线阵列与可访问的表面热点研究的特征扩散动力学的磷酸乙醇胺（PE）和鞘磷脂（SM）在纳米级的活细胞质膜。对不同间隙尺寸的纳米天线进行的荧光猝发分析和荧光相关光谱表明，与PE不同，SM被瞬时捕获在直径为10 nm的富含胆固醇的纳米结构域中，特征时间约为100 μs。胆固醇的去除导致SM的自由扩散，与纳米畴的分散一致。我们的研究结果是一致的存在高度瞬态和波动的纳米级组件富含胆固醇和鞘脂在活细胞膜，也被称为脂筏。鞘脂分配到脂筏的定量数据是至关重要的，以了解在纳米级的活细胞膜上的瞬时分子复合物的时空异质组织。所提出的技术是完全生物相容的，因此为生物物理学和活细胞研究提供了各种机会，以揭示仍然隐藏在共焦衍射限制测量中的细节。
2017-11-17 physics.bio-ph physics.optics
Membrane Thickness Sensitivity of Avian Prestin: Implications
本文提出鸟类 prestin 虽无膜面积变化，但可通过膜蛋白剪切变形的构象转变实现运动功能，从而解释其膜厚度敏感性。
2023-07-05 physics.bio-ph q-bio.SC
Getting in shape and swimming: the role of cortical forces and membrane heterogeneity in eukaryotic cells
最近的研究表明，运动细胞可以使其推进模式适应它们所处环境的机械特性-在某些环境中爬行，而在其他环境中游泳。后者可能涉及通过起泡或其他周期性形状变化的运动，这些模式的高度简化和更真实的模型先前已经研究过。在这里，我们研究的游泳，是由膜张力梯度，产生流动的肌动蛋白皮质下的膜，并不涉及强加的周期性形状变化。这样的梯度可以导致一些不同的特征细胞的形状，我们的第一个目标是了解不同分布的膜张力如何影响细胞的形状在一个无粘静止流体。然后，我们分析了其他膜特性的空间变化的影响，以及它们如何与张力梯度相互作用以确定形状。我们还研究了流体-细胞相互作用的影响，并显示张力如何导致细胞运动，张力梯度和可变弯曲模量之间的平衡如何确定运动的形状和方向，以及运动的效率如何取决于流体的性质和膜中张力和弯曲模量的分布。
2018-05-23 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Electroporation of Biological Cells Embedded in a Polycarbonate Filter
每当施加的场超过阈值时，通过施加外场发生生物细胞膜的电透化。对于高于该阈值但小于另一临界值的场，膜中形成的孔是瞬时的或可逆的。已经提出了几种机制，这些瞬态孔的形成。在这里，我们研究的本地电场产生的配置嵌入在聚碳酸酯过滤器中的细胞，无论是在该地区的孔隙和周围。我们考虑由于沿膜表面的场的梯度而在膜中产生的剪切力，以及膜中的带电分子与该场的相互作用。推导出了电场强度与所形成孔隙大小的关系。
2003-08-04 physics.bio-ph q-bio.QM
A Theory for the Membrane Potential of Living Cells
我们给出了一个明确的公式细胞的膜电位的细胞内和细胞外的离子浓度，并推导出方程的离子电流流过通道，交换器和生电泵。我们证明了泵所做的工作等于细胞势能的变化，加上通过通道和交换器的下坡离子通量损失的能量。该理论在心脏起搏器中自发活动细胞的简单模型中得到说明。该模型预测实验观察到的细胞内离子浓度的钾，钙和钠。同样，模拟的动作电位和五种膜电流的形状与实验结果吻合良好。在长时间模拟中，我们没有看到浓度值的任何漂移，并且当从细胞内和细胞外离子浓度相等的完全平衡情况开始时，我们获得了相同的渐近值。
1998-11-05 physics.bio-ph physics.class-ph q-bio
Active emulsions in living cell membranes driven by contractile stresses and transbilayer coupling
细胞表面蛋白质和脂质的时空组织对信号传导、分选和内吞作用具有直接的功能性后果。早期的研究表明，多种类型的膜蛋白，包括具有细胞质肌动蛋白结合能力的跨膜蛋白和脂质束缚的GPI锚定蛋白（GPI-AP），形成由肌动蛋白皮质产生的主动收缩流驱动的纳米级簇。为了深入了解脂质在活细胞中组织膜结构域的作用，我们研究了促进GPI-AP和跨膜蛋白的积极生成的纳米簇的分子相互作用。这激发了理论描述，其中主动收缩应力和跨双层耦合的组合驱动活性乳液、GPI-AP和脂质的中尺度液体有序（lo）域在大于平衡脂质相分离的温度下的产生。为了测试这些想法，我们使用空间成像的homo-FRET结合本地膜秩序，并证明介观域丰富的GPI-AP的纳米簇保持皮层肌动蛋白活性和transbilayer相互作用，并表现出显着的脂质秩序，与预测的活性复合模型一致。
2022-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active matter as the underpinning agency for extraordinary sensitivity of biological membranes to electric fields
University of Houston（休斯顿大学）
本文提出非平衡统计力学模型，揭示活性物质如何使生物膜能检测极低电场，从而解释生物膜对电场异常敏感性的机制。
2025-01-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
A simple model of Keratocyte membrane dynamics
我们在[1]中提出的细胞运动的最小相场模型的框架下对细胞界面动力学进行了分析研究，该模型由两个耦合的序参量演化方程和一个描述肌动蛋白网络极化（取向）的二维矢量场组成。我们推导出一个控制细胞界面动力学的封闭进化积分-微分方程。该方程包括膜的法向速度、曲率、体积松弛和由细胞骨架中的非平衡效应确定的参数。该方程可以简化为Burgers型方程。得到了系统参数存在稳定胞形的条件。
2019-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Electromediated formation of DNA complexes with cell membranes and its consequences for gene delivery
电穿孔是诱导真核细胞和组织摄取治疗药物和DNA的物理方法。电介导的膜透化质粒DNA背后的现象已被证明是显着更复杂的比那些小分子。小分子通过扩散穿过透化膜，而质粒DNA首先与细胞表面的电透化部分相互作用，形成局部聚集体。这个过程的动力学仍然知之甚少，因为直接观测仅限于秒级。在这里，细胞在质粒DNA的存在下进行电透化，并以2 ms的时间分辨率进行监测。这使我们能够表明，在第一次脉冲应用期间，质粒复合物或聚集体开始在细胞膜上的不同位点形成。FRAP的测量表明，这些网站的位置是显着的固定在进一步的脉冲的应用。提出了一个理论模型来解释不同的相互作用位点的出现，DNA的数量增加，也导致他们的不动性的尝试性解释电介导的基因传递的成功。
2011-02-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Broad-tailed force distributions and velocity ordering in a heterogeneous membrane model for collective cell migration
相关的速度模式和相关的大长度尺度传输的牵引力已被观察到集体活细胞迁移作为一个响应的“伤口”。我们认为，一个简单的物理模型的力驱动的异质弹性膜滑动的粘性基板可以定性地解释一些实验观察到的事实：（i）增长的速度排序蔓延从伤口边界到内部，（ii）指数尾部的牵引力分布，和（iii）在组织的内部的速度的漩涡图案。
2012-03-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
