Motor protein accumulation on antiparallel microtubule overlaps
生物聚合物充当一维轨道，马达蛋白在其上移动以执行其生物作用。马达蛋白现象激发了一维运输、拥挤和堵塞的理论模型。研究Xklp 1马达在重建的反平行微管重叠上的运动的实验表明，马达被招募到重叠处，向单个微管的正端行走，并在细丝之间频繁切换。我们研究了这个系统的一个模型，耦合完全不对称的简单排斥过程（TASEP）的电机运动与反平行丝和绑定动力学之间的开关。我们确定稳态电机密度分布固定长度的重叠使用精确和近似的连续微分方程的解决方案，并比较动力学蒙特卡罗模拟。重叠电机密度曲线和电机轨迹类似于实验测量。该模型的相图是类似的单灯丝的情况下，低开关速率，而高开关速率，我们发现了一个新的低密度-高密度-低密度-高密度相。远离重叠端部的重叠中心区域具有恒定的电机密度，正如人们天真地期望的那样。然而，而不是遵循一个简单的绑定平衡，中心电机密度取决于总重叠长度，电机速度和电机切换率。重叠端附近拥挤的边界层的大小除了取决于马达速度和体积浓度之外，还取决于重叠长度和切换速率。反平行微管重叠的几何形状可能提供了一个以前未被认识的机制，蛋白质浓度和随之而来的活动的生物调节。
2016-02-12 physics.bio-ph q-bio.SC
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 dependence of motor traffic in cells
在活细胞中，运动蛋白，如驱动蛋白和动力蛋白，可以沿着微管（MT）运动，也可以与微管分离或附着。实验发现，机动车的交通可能会堵塞，并设计了各种理论模型来理解这种交通堵塞现象。但以往的研究主要集中在运动附着/脱离率依赖性方面。Leduc { \it et al.}的最新实验发现运动蛋白驱动蛋白的交通堵塞形成也取决于MT的长度[Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. { \bf 109}，6100-6105（2012）]。在这项研究中，MT长度依赖于机动车交通的属性进行了分析。我们发现MT长度有一个{ \it临界值} $N_c$，只有当MT长度为$N>N_c$时才发生交通阻塞。MT的阻塞长度随MT总长度的增加而增加，而非阻塞MT长度可能不随MT总长度单调变化。临界值$N_c$随着运动从MT的脱离率而增加，但随着运动到MT的附着率而减小。
2012-05-18 physics.bio-ph q-bio.SC
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
Asymptotic Analysis of Microtubule-Based Transport by Multiple Identical Molecular Motors
我们描述了一个系统的随机微分方程（SDES）模型之间的相互作用进行性分子马达，如驱动蛋白和动力蛋白，和生物分子货物，他们拖作为微管为基础的细胞内运输的一部分。我们表明，经典的实验环境适合在一个参数范围内，这是定性不同的条件下，人们期望在活细胞中找到。通过渐近分析我们的系统的SDES，我们开发了一种方法，用于应用在体外观察的非线性响应的电机上所连接的货物上引起的力进行分析预测的两个参数的制度，迄今为止，逃避直接的实验观察：1）高粘度的体内运输和2）动力学时，多个相同的电机连接到货物和微管。
2011-11-02 math.PR 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
Environmental control of microtubule-based bidirectional cargo-transport
在细胞内，各种各样的货物由一组分子马达运输。有趣的是，所涉及的马达通常具有相反的拉动方向，并且由此产生的货物动力学是有偏的随机运动。细胞如何控制这种偏差是一个悬而未决的问题。在这里，我们开发了一个模型，明确考虑到弹性耦合的货物与每个电机。我们表明，偏见可以简单地控制，甚至扭转了一个违反直觉的方式，通过改变施加在货物上的外力或变化的ATP结合率电机。此外，在短时间尺度上发现的超扩散行为表明，出现了由货物介导的耦合引起的运动合作。
2014-07-07 physics.bio-ph q-bio.SC
Novel Catchbond mediated oscillations in motor-microtubule complexes
机械振荡的产生是细胞内各种过程普遍存在的。我们发现，捕捉键合行为的电机蛋白提供了一个通用的机制，产生自发振荡的电机细胞骨架丝复合物。我们获得的相图来表征这种新的捕获键介导的机制如何引起双稳态和持续的极限环振荡，并导致非常独特的稳定行为，包括在生物学相关的机制中，在电机微管复合物中的非线性和非线性稳定。目前，人们认为生物捕捉剂的主要功能作用是当受到外力或流场时改善细菌和细胞的表面粘附。相反，我们的理论研究表明，这种捕获键介导的物理机制的印记将对从有丝分裂纺锤体振荡到肌纤维活动的整个细胞内过程产生影响。
2020-07-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Biophysics of filament length regulation by molecular motors
调节物理尺寸是生物有机体必须解决的一个基本问题，从亚细胞到有机体尺度，但人们还不清楚生物体使用什么物理原理和机制来感知和调节它们的尺寸。任何生物物理的大小调节方案都在嘈杂的环境中运行，并且必须对其他细胞动力学和波动具有鲁棒性。这项工作发展的细丝长度调节理论的灵感来自最近的实验驱动蛋白-8马达蛋白，移动方向的偏见微管细丝和改变微管动力学。纯化的驱动蛋白-8马达可以使化学稳定化的微管脱髓鞘。在长度依赖性解聚模型中，解聚速率倾向于随着细丝长度增加而增加，因为长细丝在其尖端积累更多马达，因此缩短得更快。当与恒定的长丝生长速率平衡时，这种机制可以导致固定的聚合物长度。然而，驱动蛋白-8马达影响细胞中动态微管长度的机制尚不清楚。我们研究了更生物现实的问题，微管动态不稳定性调制的电机依赖性增加的细丝灾难频率。这导致平均长丝长度的显著减小和长丝长度分布的变窄。这些结果提高了我们对细胞长度调节的生物物理学的理解。
2013-02-13 physics.bio-ph q-bio.SC
Active microphase separation in mixtures of microtubules and tip-accumulating molecular motors
微管和分子马达的混合物形成具有不同动力学行为的活性材料，这些行为根据其成分的分子性质而变化。我们绘制了微管和尖端累积驱动蛋白-4分子马达的非平衡相图。我们发现，驱动蛋白-4可以驱动全球收缩或顺从性样伸展动力学，这取决于微管和捆绑剂的浓度。我们还观察到一系列的空间异质非平衡相，包括有限大小的径向星，一维蠕虫状链，扩展的二维双层，和系统跨越三维活性泡沫。最后，我们描述了复杂的动力学途径，产生微相分离的结构和产生的内在挫折之间的取向顺序的丝状微管和尖端积累分子马达的位置顺序。我们的工作表明，在细胞骨架网络中的主动应力和阶段的形式不仅取决于单个电机和细丝的属性，但也取决于成分的浓度和空间排列。
2021-08-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Localization of a microtubule organizing center by kinesin motors
微管（MT）电机Kip 3 p是非常进行性的驱动蛋白，促进灾难和暂停，特别是在皮质接触。这些特性解释了Kip 3 p在定位芽殖酵母中的有丝分裂纺锤体中的作用，以及驱动蛋白-8家族成员控制的潜在其他过程。我们提出了一种理论方法来定位的MT网络在一个小区。为了探索潜在的机制，我们介绍了一个理想化的系统，两个MT连接的微管组织中心（MTOC）。Kip 3 p的动力学模型由相互作用的随机粒子，这使我们能够研究空间限制下电机诱导解聚的影响。我们发现，本地化在系统的中间实现的参数制度，在MT上的电机密度增加与距离的MTOC。在不对称位置的本地化也是可能的，通过调整驱动蛋白输入速率在MT负端或附着率取决于不同的隔室的细胞。
2017-03-23 cond-mat.stat-mech nlin.CG physics.bio-ph
A hopping mechanism for cargo transport by molecular motors in crowded microtubules
大多数设计用于研究由分子马达驱动的货物双向运动的模型都依赖于这样一种想法，即如果将不同极性的马达安排到马达-货物复合体中以执行必要的工作，则可以通过外部代理来协调马达[gross 04]。虽然这些模型为我们提供了重要的见解，这些现象，仍然有许多未回答的问题，通过复杂的运动发生在拥挤的微管的机制。例如（i）货物结合如何影响运动运动？与此相关-（ii）微管上其他马达（以及其他货物）的存在如何影响马达-货物复合物的运动性？我们从不同的角度讨论这些问题。货物的运动在这里被认为是一个跳跃的过程，由相邻的马达之间的货物转移。有鉴于此，我们研究的条件下，货物可能会显示双向运动，即使是由一个单一的极性电机。通过将相互作用的电动机和货物的集合的动力学映射到一个不对称的简单排斥过程（ASEP）中，可以使用Derrida [Derrida et al]引入的矩阵分析来解决该模型在长时间区域中的全局特性。
2010-06-26 physics.bio-ph
Flagella-like beating of a single microtubule
驱动蛋白马达可以在具有固定负端的微管中诱导屈曲不稳定性。在这里，我们表明，通过修改表面的蛋白质排斥功能化和使用集群的驱动蛋白电机，微管可以表现出持续的振荡运动，类似于精子鞭毛的跳动。所观察到的周期是1分钟的顺序。从实验图像，我们理论上确定的电机力的分布，解释所观察到的形状，使用极大似然的方法。一个很好的协议，实现了少量的电机集群同时作用于微管。由簇施加的切向力大多在朝向微管负端的0 - 8 pN范围内，表明1或2个驱动蛋白马达的作用。横向力呈对称分布，主要集中在10 pN以下，而横向速度在零附近有一个很强的峰值。与众所周知的模型，扑动丝，驱动蛋白被发现有一个强大的“钉扎”的影响上的跳动丝。我们的研究结果提出了新的策略，利用分子马达的动态角色，敏感地依赖于在系统中建立的应力。
2019-03-23 physics.bio-ph
The role of microtubule movement in bidirectional organelle transport
我们研究了微管运动在果蝇S2细胞双向细胞器运输中的作用，并表明EGFP标记的过氧化物酶体在细胞中作为电机诱导的，嘈杂的细胞骨架运动的敏感探针。多个过氧化物酶体在大的时间窗口内一致移动，并显示与微管尖端位置的相关性，表明微管在纵向方向上的快速波动。我们报告的第一个高分辨率测量纵向微管波动进行跟踪这样的对共同移动的过氧化物酶体。由此产生的图片显示，电机依赖的纵向微管振荡显着有助于货物沿微管运动。因此，与传统观点相反，细胞器运输不能仅仅用沿着固定微管轨道的货物运动来描述，而是包括轨道运动的强大贡献。
2008-08-12 physics.bio-ph q-bio.SC
Microtubule-based active fluids with improved lifetime, temporal stability and miscibility with passive soft materials
我们已经开发了几个不同的模型系统的微管为基础的三维主动各向同性流体，并比较了它们的动力学和结构特性。这些流体的非平衡动力学由三种不同类型的驱动蛋白马达提供动力：进行性马达、非进行性马达和永久连接到微管骨架的马达。第四个修改使用特定的微管交联剂，而不是一个非特异性的depletant诱导成束。与以前开发的系统相比，每种新的活性流体配方都具有某些增强的特性。首先，将马达连接到微管骨架将流体的寿命从几小时延长到几天。此外，切换到非进行性马达显著地增加了主动动力学的时间稳定性，而使用特定的交联剂产生了可以结合其他被动软材料（诸如聚合物凝胶或液晶）的系统。这些新开发的模型系统将显着帮助和提高我们的能力，以量化不同的现象，在微管为基础的活性物质。
2018-11-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Collective dynamics of microtubule-based 3D active fluids from single microtubules
驱动蛋白驱动的、基于微管的3D活性流体的自组织依赖于单个微管的集体动力学。然而，宏观流体流动和微管的微观运动之间的联系仍然不清楚。在这项工作中，单微管的运动的特点是通过二维滑动分析，并与三维活性流体的流动进行比较。虽然这两个系统的规模相差1,000倍，但两者都是由进行性、非进行性或两种分子马达蛋白的相等混合物驱动的。为了寻找两个系统之间的动态相关性，通过改变温度和ATP浓度来调节运动活动，并比较两个系统的变化。马达的持续合成能力发挥了重要作用，在活跃的流体流动，但只有当流体几乎不动，否则，流量占主导地位的流体动力学阻力控制的样本大小。此外，虽然发动机的热反应导致主动流体随着温度的升高而流动得更快，但这种温度依赖性可以通过引入温度变化的耗尽剂来逆转，强调耗尽剂在设计主动流体的温度响应中的潜在作用。活性流体的温度响应几乎是立即的（<10秒）。这样的特性使得能够用温度开关控制活性流体。总的来说，这项工作不仅澄清了温度在活跃流体活动中的作用，而且揭示了活跃流体的集体动力学与其组成的单个微管的动力学之间关系的基本原理。
2019-04-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Crowding and pausing strongly affect dynamics of kinesin-1 motors along microtubules
驱动蛋白1家族的分子马达以定向和进行的方式沿着微管（MT）运动。人们普遍认为，空间位阻的电机导致拥挤效应，然而，很少有人知道有关的具体相互作用。我们采用了基于代理的格子气模型来研究相互作用的影响，增强分离的电机从拥挤的细丝对他们的集体动力学。我们的模型的预测定量同意实验观察到的浓度依赖性的关键电机特性，包括他们的运行长度，停留时间，速度和着陆率。从个别电机表现出相对较长的停顿异常步进统计，我们推断驱动蛋白-1电机有时陷入非活动状态。因此，交通堵塞的形成放大了单个非活动马达的影响，并导致对所产生的无运动或慢运动的周期的频率和持续时间的拥挤依赖。我们解释了这些发现，并得出结论，驱动蛋白-1花费了显着的一部分，其步进周期中的弱结合状态，其中只有一个头部是绑定到MT。
2018-05-09 physics.bio-ph
Length regulation of microtubules by molecular motors: Exact solution and density profiles
在这项工作中，我们研究了微管（MT）模型，其长度是由进行性驱动蛋白马达的行动。我们处理的情况下，无限的持续合成能力，即在散装的粒子交换被忽略。精确的结果可以得到对应于MT的有限长度的模型参数。与粒子交换模型相比，我们发现MT的长度在此参数范围内呈指数分布。通过广泛的蒙特卡罗模拟和宏观方法分析了模型的剩余参数空间，其对应于不同的MT长度。对于不同的MT，我们发现一个复杂的结构的相图中的密度分布的形状。
2015-06-02 cond-mat.stat-mech nlin.CG physics.bio-ph
Stochastic modelling of collective motor protein transport through a crossing of microtubules
真核细胞中的细胞骨架起着几个至关重要的作用。在细胞内运输方面，马达蛋白使用细胞骨架丝作为骨架，它们可以沿着骨架主动运输生物货物，例如携带生化反应物的囊泡。这些细丝之间的交叉是一个关键因素，因为它们可能改变这种有效载荷的目的地。虽然已知马达蛋白在这样的交叉点上表现出丰富的行为，但后者迄今为止仅被建模为简单的分支点。在这里，我们探讨了一个模型，两个微管之间的交叉保留的个人轨道组成的原丝，我们构建了一个示意图表示的运输路径。我们研究集体运输例示的完全不对称的简单排斥过程（TASEP），并提供了一个全面的分析的运输功能和相关的相图，通过一个通用的平均场的方法，我们确认通过基于粒子的随机模拟。特别是，我们表明，通过这样一个复合交叉运输不能近似从一个简单的分支点粗粒度的结构。相反，它产生了全新的和违反直觉的特征：交通流的基本电流密度关系不再是单值函数，而且根据它是在交叉口的上游还是下游观察到的而有所不同。我们认为，这些新的功能可能是直接相关的解释实验测量。
2020-06-18 physics.bio-ph q-bio.SC
Actively crosslinked microtubule networks: mechanics, dynamics and filament sliding
细胞骨架网络是活性物质的基础实例，并且是细胞中自组织结构的中心。在体内，这些网络是活性的和高度交联的。将它们的大尺度动力学与其组分的性质联系起来仍然是一个未解决的问题。在这里，我们研究了由微管和XCTK 2驱动蛋白马达制成的体外系统，该系统形成对齐的活性凝胶。使用光漂白，我们证明了凝胶的对齐微管，由电机驱动，不断地滑动过去的速度独立于当地的极性。在纺锤体中也观察到这种现象，但仍无法解释。我们从微观角度出发，推导出一个由分子马达交联的粗粒化微管凝胶的一般框架。利用微管-微管耦合和驱动蛋白的力-速度关系，该理论自然地解释了实验结果：马达在极性变化的区域产生主动应变率，这使得相反极性的微管能够在不对材料施加应力的情况下相互滑过。
2018-12-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hyperphosphorylation-Induced Phase Transition in Vesicle Delivery Dynamics of Motor Proteins in Neuronal Cells
本研究发现tau蛋白过度磷酸化会抑制囊泡-马达蛋白复合体的长距离单向运动，导致微管快速囊泡运输丧失，并通过建立物理化学模型揭示了其作为神经退行性疾病机制的相变特性。
2024-04-23 physics.bio-ph
Swirling Instability of the Microtubule Cytoskeleton
在细胞质流动的细胞现象中，沿着微管网络携带货物的分子马达夹带周围的液体。由单个马达产生的微微牛顿力足以使长微管变形，就像许多移动马达产生的集体流体流动一样。在果蝇$D.~melanogaster$卵母细胞发育过程中的流动研究表明，从空间无序的细胞骨架，支持流动只有短程的相关性，一个有序的状态与细胞跨越旋涡流的过渡。为了验证这一假设，即这种转变是由流体-结构相互作用驱动的，我们研究了离散细丝模型和粗粒度的连续理论的电机上移动的可变形的细胞骨架，这两者都表现出$swirling~instability$自发大规模的旋转运动，观察到的。
2020-08-27 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Motor-driven microtubule diffusion in a photobleached dynamical coordinate system
本研究利用光二聚化驱动蛋白马达控制微管网络收缩，结合光漂白网格坐标系，发现网络收缩伴随类扩散，其扩散常数比自由微管低两个数量级，且扩散与平流时间尺度相近，揭示马达驱动的全局收缩与局部扩散竞争机制。
2024-08-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Large-scale chirality in an active layer of microtubules and kinesin motor proteins
在生物体早期发育过程中，左右侧化的形成需要一个微妙的机制，因为它与其他主体轴有关。卵细胞中任何固有的手性特征原则上都能触发这种手征对称性的自发破缺。单个微管，主要的细胞骨架丝，被称为手性对象。然而，到目前为止，还没有令人信服的证据表明微管的分子性质与大尺度手性之间存在层次性联系，特别是在整个细胞的长度尺度上。在这里，我们组装一个体外活性层，由微管和驱动蛋白马达蛋白，在玻璃表面上。在包含甲基纤维素，层状系统表现出一个远程的活动的双相，其特征在于由滑动MT的全球对齐。这一阶跨越整个系统的大小在毫米范围内，值得注意的是，允许隐藏的集体手性出现逆时针全球旋转的积极MT层。我们的理论模型的基础上的分析表明，新兴的全球性的微生物学秩序的结果从本地对齐的MT，稳定的甲基纤维素。这也表明，全球旋转来自于MT的内在曲率，导致优先的手性。鉴于其灵活性，这种分层的体外细胞骨架系统使研究膜蛋白的行为负责重要的细胞发育过程。
2018-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Modelling cargo transport in crowded environments: effect of motor association to cargos
本文建立货物动力学模型研究拥挤环境中马达与货物结合的影响，发现结合与拥挤的竞争效应导致运行长度随自由马达密度出现峰值，该特征由转移矩阵的最大特征值决定，且与实验观察一致。
2023-07-03 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
Molecular Motor-Powered Shuttles along Multi-walled Carbon Nanotube Tracks
作为纳米流体学的补充工具，设想将基于生物分子的运输用于纳米技术装置。我们报告了一种新的方法，用于引导微管穿梭在多壁碳纳米管轨道上，通过介电泳在功能化表面上对齐。在没有电场和流体流动的情况下，保持对准。用荧光显微镜研究了驱动蛋白推进微管的定向移位。据我们所知，这是第一次证明微管沿着碳纳米管滑动。
2013-12-11 physics.bio-ph q-bio.BM
Computational modelling of the collective stochastic motion of Kinesin nano motors
我们建立了一个二维随机分子动力学模型，用于描述生物马达，特别是驱动蛋白在微管轨道上的细胞内集体运动。该模型能够或再现沿微管定向运动的手-手机制。该模型给出了驱动蛋白沿微管的平均定向速度和电流。结果表明，当驱动蛋白的密度超过一定值时，系统的平均速度和电流会显著降低，这是由于系统中形成了交通堵塞。
2010-06-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Intracellular transport driven by cytoskeletal motors: General mechanisms and defects
电池是由连续能量供应驱动的强烈失衡系统。它们执行许多重要的功能，需要各种成分和细胞器的主动运输，一些很小，另一些很大。细胞骨架由三种类型的细丝组成，决定了细胞的形状，并在细胞运动中发挥作用。它还充当所谓的细胞骨架马达的道路网络。这些分子可以附着在细胞骨架丝上，进行定向运动，可能携带一些货物，然后分离。理解由分子马达驱动的细胞内转运是如何调节的是一个中心问题，特别是因为它的分解是一些神经元疾病如阿尔茨海默病的特征之一。本文综述了目前有关微管转运的知识。我们首先回顾了一些从实验中获得的生物事实，并提出了一些基于元胞自动机的建模尝试。我们从TASEP（完全不对称简单排除过程）的原始和变体的背景知识开始，然后转向更面向应用的模型。在解决微管为基础的运输一般，重点是在体外实验，并在运输大型货物的多个电机的合作效应，我们集中在轴突运输，因为它的相关性神经元疾病。这是一个挑战，以了解这种运输是如何组织的，因为它发生在一个封闭的环境中，并涉及几种类型的电机在相反的方向上移动。我们回顾了几个功能，可能有助于这种运输的效率，包括电机电机的相互作用和动力学的基础微管网络的作用。最后，我们讨论了一些尚未解决的问题。
2015-07-22 physics.bio-ph q-bio.SC
Biochemical pathways of forward/backward steps of motor protein kinesin-1
Kinesin-1是一种由ATP驱动的双头马达蛋白，在细胞内沿微管转运物质。基于最近的实验观察，我们制定了一个机械化学模型，其中向前/向后/无效循环的驱动蛋白-1可以通过多个生化途径实现。我们的研究结果表明，正向循环和无效循环都由两条生化途径组成，而反向循环可能通过六条可能的途径实现。驱动蛋白-1在半分离状态下的后向运动主要是沿着微管向后滑动，通常伴随ATP水解。在低外负荷下，约80%的ATP被驱动蛋白1浪费掉，且这一比例几乎与ATP浓度无关。在高ATP浓度或高外负荷下，驱动蛋白的两端始终处于ATP或ADP $\cdot$ Pi结合状态，与微管紧密结合。而在低ATP浓度和低负荷时，驱动蛋白主要处于单头结合状态。与平均运行长度相反，驱动蛋白1沿微管的平均运行时间随着ATP浓度的增加而减少。除非外部载荷接近失速力，否则驱动蛋白-1的运动几乎是确定性的，而不是像通常的Browian棘轮模型所预测的那样。
2021-12-29 physics.bio-ph
Navigation strategies of motor proteins on decorated tracks
马达蛋白在微管轨道上移动时显示出广泛不同的步进模式，从蛋白驱动蛋白执行的确定性线性或螺旋运动到动力蛋白执行的不协调随机步骤。这些不同的策略如何产生一个有效的导航系统，以确保正确的细胞功能仍然不清楚。在这里，我们通过数值模拟表明，确定性和随机电机步骤产生不同的结果时，随机障碍物装饰的微管轨道：驱动蛋白移动速度更快的干净的轨道，但其运动受到强烈阻碍装饰的轨道，而动力蛋白是干净的轨道，但更有效地避免障碍物。进一步的模拟表明，动力蛋白在装饰轨道上的优势是由于它的后退能力。我们的研究结果解释了不同的导航策略是如何采用的细胞，以优化电机驱动的货物运输。
2015-09-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Tailoring collective motion of kinesin-driven microtubules via topographic landscapes
生物分子马达蛋白通过消耗从ATP水解获得的化学能来产生力，是组织活细胞中广泛的细胞骨架结构的关键。这种细胞骨架结构的控制有利于可编程蛋白质图案化;然而，由于用于控制斑图形成的工程方法的不发达，我们目前的知识是有限的。在这里，我们展示了定制的组装模式的驱动蛋白马达驱动的微管（MT）通过设计制造的微孔的边界形状。我们发现沿微孔壁的MT束结构和垂直于壁的桥接结构。通过自推进杆理论的证实，我们进一步表明，由边界形状定义的MT的排列决定了组装图案的过渡，为在微通道中重建桥结构提供了蓝图。我们的研究结果提供了一个几何规则来定制的纳米技术应用的细胞骨架和马达蛋白的自组织。
2021-10-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Spatiotemporal patterning of extensile active stresses in microtubule-based active fluids
主动应力，这是集体产生的运动消耗能量的棒状成分，产生混乱的自主流动。在空间和时间上控制主动应力是控制可伸展的主动流体的内在混沌动力学的必要前提。我们设计的单头驱动蛋白分子马达，表现出光学增强集群，从而使精确和可重复的空间和时间控制的可扩展的主动应力。这种马达能够在流动状态和静止状态之间快速、可逆地切换。反过来，时空图案的主动应力控制无处不在的弯曲不稳定性的可伸展的活性流体的演变，并确定其临界长度的依赖性。将光学控制的簇与传统的驱动蛋白马达相结合，能够一次性地从收缩性主动应力切换到伸展性主动应力。这些结果开辟了一条道路，对主动流体产生的自主流动的实时控制。
2022-09-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Prospects for single-molecule electrostatic detection in molecular motor gliding motility assays
本研究评估了在分子马达滑行检测中，利用碳纳米管晶体管直接电检测肌动蛋白丝和微管的可行性，发现通过优化器件设计和缓冲条件，检测微管更具前景。
2021-02-23 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Diffusible crosslinkers cause superexponential friction forces
有丝分裂纺锤体位于细胞分裂过程中对细胞组分的时空控制的核心。纺锤体由微管组成，微管不仅被马达蛋白交联，而且被被动结合蛋白交联。这些被动交联剂通过在滑动细丝之间产生摩擦力来稳定高度动态的有丝分裂纺锤体。然而，目前还不清楚摩擦系数如何取决于交联剂的数量和微管之间重叠的大小。在这里，我们使用理论和计算机模拟来研究由被动蛋白质交联的两个细丝之间的摩擦，被动蛋白质可以在相邻的结合位点之间跳跃，同时物理上相互排斥。模拟结果表明，一个微管相对于另一个的运动受到自由能势垒交叉的限制，导致跨越相邻交联剂结合位点之间距离的微管的罕见和离散的跳跃。我们推导出一个精确的分析表达式的自由能景观，并确定控制相对运动的反应坐标，这使我们能够确定有效的势垒高度的微管跳跃。通过模拟和反应速率理论，我们做出了实验可检验的预测，即微管之间的摩擦力随交联剂密度的超指数增加。
2019-06-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Limited Resources Induce Bistability in Microtubule Length Regulation
蛋白质的可用性是决定有丝分裂纺锤体大小的重要因素。参与纺锤体大小调节的是驱动蛋白-8，一种分子马达和微管（MT）解聚酶，已知其严格控制MT长度。在这里，我们提出并分析了一个理论模型，其中驱动蛋白诱导的MT解聚与自发聚合竞争，而微管蛋白和驱动蛋白的供应是有限的。与以前的研究相比，资源不受限制，我们发现，在很宽的浓度范围内，MT长度调节是不确定的。我们测试我们的预测进行体外实验，并发现，在双峰MT长度分布的表现出的pathogenic行为。
2018-04-09 physics.bio-ph q-bio.SC
Evaporation-Induced Pattern Formation and Wetting in Active Microtubule-Kinesin Droplets
Harvard University（哈佛大学）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；University of Surrey（萨里大学）；Universität Konstanz（康斯坦茨大学）
本研究通过实验和理论结合的方法，揭示了蒸发过程中微管-肌动蛋白滴状体的自组织行为及湿性特征，揭示了交叉链接与主动应力在调控系统动态中的关键作用。
2026-02-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Visualizing individual microtubules using bright-field microscopy
微管是参与细胞结构和组织的棒状多聚蛋白（直径约25 nm）。我们展示了使用传统的明场显微镜，没有任何额外的相位或偏振光学个别微管的成像。通过广泛使用数字图像处理来识别由微管散射的光，从而去除背景，减少噪声并增强对比度。该设置建立在一个商业显微镜，包括一个最小的和廉价的组件集，适合在学生实验室实施。我们展示了如何将这种技术应用于一个示范性的生物物理测定，通过跟踪运动蛋白驱动的微管的运动。
2009-11-08 physics.bio-ph physics.pop-ph
How occasional backstepping can speed up a processive motor protein
在ATP水解的推动下，运动蛋白驱动蛋白实际上是用两条腿沿着生物聚合物微管行走。考虑到ATP水解所提供的自由能，驱动蛋白所采取的意外后退的数量似乎比人们所预期的要大得多。这是令人困惑的，因为超过10亿年的自然选择应该优化了马达蛋白的速度和效率。但越往后推，就越能产生更多的熵。这种熵的产生将使自由能可用。有了这个额外的自由能，驱动蛋白的催化循环可以加速。我们将展示如何测量的后退百分比代表一个最佳的最大净前进速度。
2008-04-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Traffic of single-headed motor proteins KIF1A: effects of lane changing
KIF 1A驱动蛋白是单头马达蛋白，其在称为微管（MT）的圆柱形纳米管上移动。一个正常的MT由13个原丝组成，其上等间距的运动结合位点形成周期性阵列。因此，MT上驱动蛋白的集体运动类似于多车道高速公路上的车辆交通，其中每个原丝是单车道的模拟物。换道是否增加或减少每车道的电动机流量？我们通过适当扩展最近的模型[{ \it Phys. Rev. E { \bf 75}，041905（2007）}]来解决这个基本问题。通过对这个扩展模型进行分析计算和计算机模拟，我们预测，每车道的流量可以增加或减少与车道变化的速度增加，这取决于马达的浓度和ATP的水解率，“燃料”分子。原则上，我们的预测可以通过用荧光标记的KIF 1A分子进行{ \it in-vitro}实验来检验。
2008-04-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Kinesin as an electrostatic machine
驱动蛋白和相关的马达蛋白利用ATP燃料以进行性和定向的方式沿着微管的外表面推进它们自己。我们表明，所观察到的阶梯状运动是可能的，通过随时间变化的电荷分布提供的ATP水解循环，而微管上的静电荷配置提供了运动的指导。因此，虽然化学水解能诱导适当的局部构象变化，电机平移能基本上是静电。力学运动方程的数值模拟表明，持续性和方向性的驱动蛋白和微管的不同电荷分布之间的ATP依赖的静电相互作用的直接后果。
2006-10-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Stabilization of overlapping biofilaments by passive crosslinkers
细胞骨架丝网络的形成、维持和重组对于许多细胞过程是必不可少的。虽然由马达蛋白产生的主动力所起的关键作用已被广泛研究，但直到最近才意识到由非酶交联剂施加的被动力的重要性。主动蛋白和被动蛋白之间的相互作用表现为自身，例如，在细胞分裂期间，由重叠微管形成的纺锤体结构受到由交联马达蛋白产生的主动滑动力和由被动交联剂（如Ase1和PRC1）施加的被动力。我们提出了一个极小模型来描述一对反平行的重叠微管的稳定性行为，导致主动马达和被动交联剂之间的竞争。我们得到的稳定图，其特征在于形成稳定的重叠的MT对，确定控制生物参数，确定其稳定性，并研究电机和被动交联剂之间的相互作用对这些重叠丝的稳定性的影响。
2018-08-28 physics.bio-ph
Broken Detailed Balance of Filament Dynamics in Active Networks
肌球蛋白马达蛋白驱动细胞肌动蛋白细胞骨架的剧烈稳态波动。内源性嵌入的半柔性细丝，如微管，或添加的细丝，如单壁碳纳米管被用作新的工具，以非侵入性地跟踪在这样的生物聚合物网络的平衡和非平衡波动。在这里，我们分析计算形状波动的半柔性探针细丝在粘弹性环境中，驱动电机活动的平衡。探针丝的横向弯曲起伏可以分解为动态简正模。我们发现，这些模式不再独立发展下的非平衡驱动。这种有效模式耦合导致构象相空间中的非零循环电流，反映了对细致平衡的破坏。我们提出的预测与这些电流相关的特征频率，并调查如何确定模式的相关性，我们发现嵌入在细胞骨架网络中的微管最近的实验是一致的运动活动的时间签名。
2016-06-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Motor proteins traffic regulation by supply-demand balance of resources
在细胞和体外试验中，参与生物运输过程的马达蛋白的数量远非无限。细胞骨架结合位点与相同的有限马达储存器（细胞溶质或流动室）接触，因此竞争募集可用的马达，潜在地耗尽储存器并影响细胞骨架转运。在这项工作中，我们提供了一个理论框架来研究，分析和数值，如何电机密度分布和拥挤沿细胞骨架丝依赖于他们的结合位点的竞争电机。我们提出了两个模型，其中有限的进行性马达蛋白积极推进沿细胞骨架丝和不断交换的马达池。我们首先看均匀水库，然后检查周围介质中的自由电机扩散的影响。我们认为作为一个参考情况，最近在体外实验设置驱动蛋白-8电机绑定和移动沿微管细丝在流动室。我们研究如何拥挤的线性马达蛋白移动的细丝可以调节供应（马达蛋白在流动室的浓度）和需求（聚合的微管蛋白异二聚体的总数）之间的平衡。我们目前的分析结果的密度分布的绑定电机，水库枯竭，并提出新的相图，提出了形成的堵塞的电机蛋白的长丝作为两个可调的实验参数的函数：电机蛋白浓度和浓度的微管蛋白聚合成细胞骨架丝。大量的数值模拟证实了实验范围内的参数的分析结果，也解决了水库中的马达蛋白扩散的影响。
2014-09-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Controlling Organization and Forces in Active Matter Through Optically-Defined Boundaries
生命系统能够运动、重构和复制。为了执行这些任务，细胞在时空上协调产生力的“活性”分子的相互作用，这些分子产生和操纵非平衡结构和跨越毫米长度尺度的力场[1-3]。生物或合成分子的实验性活性物质系统能够自发地组织成结构[4，5]并产生全局流[6-9]。然而，这些实验系统缺乏在细胞中发现的时空控制，限制了它们在研究非平衡现象和生物启发工程中的实用性。在这里，我们通过光学控制活性生物分子工程系统中的结构和流体流动来揭示非平衡现象和原理。我们的工程系统由纯化的微管和光激活的马达蛋白组成，这些马达蛋白在光照下交联并将微管组织成不同的结构。我们开发基本操作，定义为光模式集，以创建，移动和合并微管结构。通过组合这些基本操作，我们能够创建长度跨越数百微米的微管网络，并以比单个马达速度快一个数量级的速度收缩。我们操纵这些可收缩的网络来产生和塑造持续的流体流动。我们发现的边界介导控制的原理可以用来研究涌现的细胞结构和力量，并开发可编程的活性物质设备。
2019-05-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Geometry-Dependent Defect Merging Induces Bifurcated Dynamics in Active Networks
本研究通过实验与理论结合，发现活性微管-马达网络中缺陷合并取决于裂纹初始角度，存在临界角导致合并或张开的分叉动力学，并构建弹性杆模型预测该临界角。
2025-09-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Stochastic kinetics of a single headed motor protein: dwell time distribution of KIF1A
KIF 1A是一种进行性的单头驱动蛋白超家族马达，它水解三磷酸腺苷（ATP），使其沿着微管的丝状轨道运动。KIF 1A在轨道上的随机运动的特征在于间歇和移位的交替序列。暂停和随后移位的持续时间的总和定义了停留时间。使用NOSC模型（Nishinari et.等人，PRL，{ \bf 95}，118101（2005）），我们系统地推导出停留时间分布的解析表达式。更详细的信息包含在两个连续步骤之间的“条件停留时间”$τ_{\pm\pm}$的概率密度中，每个步骤可以是前向（+）或后向（-）。我们计算这四个条件停留时间的概率密度$Ξ_{\pm\pm}$。然而，为了便于与实验数据进行比较，我们还提出了两个分布$Ξ_{\pm}^{*}$的时间停留前的一个前进（+）和一个倒退（-）步骤。原则上，我们的理论预测可以通过进行具有足够时空分辨率的单分子实验来测试。
2011-03-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Traffic of molecular motors: from theory to experiments
细胞内运输沿微管或肌动蛋白丝，由分子马达，如驱动蛋白，动力蛋白或肌球蛋白，最近已被模拟使用一维驱动的晶格气体。我们讨论了这些模型的一些推广，包括扩展粒子和缺陷。我们研究了单分子实验的可行性，旨在测量平均电动机密度和定位交通堵塞的位置，通过示踪粒子。最后，我们评论在活细胞中进行的初步单分子实验。
2007-10-06 physics.bio-ph q-bio.BM
Nonlinear Dynamics of Dipoles in Microtubules: Pseudo-Spin Model
我们进行了理论研究的电场激发在微管中的动力学考虑到现实的圆柱形几何形状，偶极-偶极相互作用的微管蛋白为基础的蛋白质异二聚体，径向电场产生的溶剂，和可能的简并个别异二聚体的能量状态。在经典的赝自旋模型框架下进行了考虑。我们推导出相互作用偶极子的非线性动力学常微分方程组，以及这些方程的连续形式。我们得到了这些方程的解的形式snoidal波，孤子，扭结，和本地化尖峰。我们的研究结果将有助于更好地理解微管的功能特性，包括运动蛋白动力学和信息传递过程。我们的考虑是基于经典动力学。对可能的量子效应的作用也作了一些推测。
2016-04-20 physics.bio-ph
Random Walk by Majority Rule and Lévy walk
研究了一个基于多数规则的随机游动模型。在给定的时刻，货物的移动方向是由两种竞争的马达蛋白之间的拔河机制介导的马达协调决定的。我们已经证明，概率分布$P(t)$的单向运行时间$t$的货物可以显着地描述为$P(t)\propto t^{-3/2} e^{-γ_u t}$与$γ_u$的运动蛋白从微管的解结合率的$t<γ_u^{-1}$的Levy步行。货物的均方位移从$t<γ_u^{-1}$的超扩散行为$\langle X^2\rangle\propto t^2$变为$t>γ_u^{-1}$的正常扩散行为$\langle X^2\rangle\propto t$。通过考虑马达蛋白与微管结合的相关效应，我们已经表明，$P(t)\propto t^{-{3/2}}$的Levy行走行为相对于仅添加有效截止时间$γ_b/γ_c^2$的相关性稳健地持续，其中$γ_c$表示相关性的量。
2017-12-30 physics.bio-ph physics.data-an
Application of the fluctuation theorem to motor proteins: from F1-ATPase to axonal cargo transport by kinesin and dynein
涨落定理是20世纪90年代非平衡态统计物理学中的一个代表性定理。与非平衡态中的熵产生有关，该定理已被用来从运动中的涨落估计马达蛋白质的驱动力。在这篇评论中，使用波动定理在实验中的马达蛋白质的生物学家，特别是那些谁研究机械生物学，其中力的测量是一个中心问题。首先介绍涨落定理在旋转马达蛋白F1-ATP酶旋转力矩测量中的应用。接下来，作为该应用的扩展，介绍了最近的试验，该试验估计了微管马达驱动蛋白和动力蛋白在体内货物运输过程中产生的力。阐明这种运输的物理机制是重要的，特别是对于神经元，其中货物运输的缺陷与神经元疾病密切相关。最后，对涨落定理作为神经科学领域的一项新技术的前景进行了讨论。
2018-07-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
On the motion of kinesin in a viscoelastic medium
驱动蛋白是一种沿微管运输货物的分子马达。动力学模型\cite{Clancy11}描述了许多关于驱动蛋白-1的{ \it in vitro}实验的结果，其中一个转变对应于拴系的运动头的向前运动和随后的结合。我们认为，在一个粘弹性介质中，如细胞的胞质溶胶，这一步是不马尔可夫的，必须描述一个非指数的等待时间分布。我们引入一个半马尔可夫动力学模型驱动蛋白，考虑到这种效果。对于任意的等待时间分布，我们计算所做的步数的矩母函数，并由此确定电机的平均速度和扩散常数。我们说明了我们的结果的情况下，等待时间分布是威布尔。我们发现，对于现实的参数值，粘弹性降低的速度和扩散常数，但增加的随机性（或范诺因子）。
2017-10-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Traveling Waves Enhance Transport during Cytoplasmic Streaming in Drosophila Oogenesis
Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics, Princeton University（普林斯顿大学刘易斯-席格勒整合基因组学研究所）；Center for Computational Biology, Flatiron Institute（Flatiron研究所计算生物学中心）；Department of Molecular Biology, Princeton University（普林斯顿大学生物分子系）；Courant Institute, New York University（纽约大学库朗数学科学研究所）
本研究观察果蝇卵母细胞流动中微管床的相干行波，通过模拟揭示其增强输运与混合的功能。
2026-09-23 physics.bio-ph
DNA transport is topologically sculpted by active microtubule dynamics
本文利用单分子追踪研究线性与环状DNA在主动微管网络中的运输，发现DNA拓扑结构显著影响非高斯多模态运输行为，环状DNA因微管穿环而表现出增强亚扩散或超扩散，为编程分子运输和设计仿生材料提供新机制。
2024-09-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
