Signaling Networks and Dynamics of Allosteric Transitions in Bacterial Chaperonin GroEL: Implications for Iterative Annealing of Misfolded Proteins
在许多生物复合物中，分子水平上的信号传递通过变构转换发生。它们描述了复合物对在空间上与结合区域良好分离的位点处的配体结合的响应。我们描述的结构微扰法（SPM），声子在固体中的传播的基础上，可用于确定信号传输变构布线图（AWD）在大型但有限大小的生物复合物。细菌伴侣蛋白GroEL-GroES复合物的应用表明，从结构确定的AWD也动态地驱动变构转换。从结构和动力学的角度来看，这些转变在很大程度上取决于盐桥的形成和破裂。GroEL中变构的分子描述提供了对其功能的深入了解，其功能由迭代退火机制定量描述。值得注意的是，在这个复杂的分子机器中，在GroEL经历一系列变构转变的结构、反应周期和以自洽方式发挥功能之间建立了深刻的联系。
2018-01-30 cond-mat.soft q-bio.BM
Allosteric Regulation by a Critical Membrane
神经计算的许多基础过程都是由嵌入质膜的离子通道完成的，质膜是一种包围所有细胞的二维液体。最近的实验表明，这种膜是接近伊辛普适类的液-液临界点。在这里，我们使用精确和随机技术的晶格伊辛模型，探讨的分歧接近临界的蛋白质，变构耦合到伊辛组合物模式。由于发散的广义亲和性，这种蛋白质的活性受到影响临界点的两个相关参数，特别是临界温度的扰动的强烈影响。此外，蛋白质的动力学从其周围的膜获得一系列的时间尺度，自然导致非马尔可夫动力学。
2016-07-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The allosteric lever: towards a principle of specific allosteric response
针对变构作用缺乏统一定量原理的问题，本文基于弹性网络模型提出“变构杠杆”模式耦合机制，解释特异性、非线性和非互易的远端响应，并用于预测蛋白质已知变构位点。
2025-05-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Principles for optimal cooperativity in allosteric materials
变构蛋白通过与配体结合来传递机械信号。然而，了解所传输信息的性质以及优化此类传输的架构仍然是一个挑战。在这里，我们显示使用{ \it in-silico}进化方案和理论参数，优化的架构是合作的，有效地传播能量，{定性}不同于以前研究的材料优化传播应变。虽然我们观察到了大量的功能合作架构（包括剪切，铰链和扭曲设计）的多样性，他们都服从相同的原则{显示一个{ \it机制}，即扩展的{软}模式}。我们发现，其最佳频率随着系统的空间扩展$L$为$L^{-d/2}$而减小，其中$d$是空间维度。对于这些最优设计，对于$d=2$，协同性随$L$以几何方式衰减，而对于$d=3$不衰减。总的来说，我们的方法导致了对变构蛋白中的几个观察结果的自然解释，并且{表明了测试变构蛋白是否接近最优的实验路径}。
2018-06-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
The Allosteric Switching Mechanism in Bacteriophage MS2
在这篇文章中，我们使用全原子模拟来阐明的机制，潜在的构象转换和变构内的外壳蛋白的噬菌体MS2。大多数二十面体病毒衣壳的组装需要衣壳蛋白在衣壳内的精确位置处采用不同的构象。已经表明，来自MS2基因组的19个核苷酸的茎环（TR）充当变构效应物，在衣壳组装期间引导外壳蛋白的构象转换。由于主要的构象变化发生在远离TR结合位点的地方，因此了解这种变构通讯的分子机制是很重要的。为此，我们使用全原子模拟与明确的水结合的路径采样技术来采样的MS2外壳蛋白的构象转变，在TR结合的存在和不存在。计算发现，TR绑定强烈改变的过渡自由能分布，导致开关的青睐的构象。我们讨论了负责这种转变的分子相互作用的变化。然后，我们确定网络的氨基酸与相关的议案，揭示了TR绑定的影响跨越蛋白质的机制。分析预测氨基酸的突变取代可能会改变人口的构象substates或其转换速率。
2016-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Perspective: Geometrically-Frustrated Assemblies
这种观点将概述一个新兴的范例自组织软材料，{ \it几何挫折组件}，其中自组装元件（如颗粒，大分子，蛋白质）之间的相互作用有利于本地包装图案，不兼容的统一的全球秩序的组装。该分类适用于广泛的材料组装体，包括自扭转蛋白质丝束、淀粉样纤维、手性近晶和膜、颗粒包被液滴、弯曲蛋白质壳和相分离脂质囊泡。在组装体中，几何挫挫导致了许多异常的结构和热力学性质，包括非均质和内应力平衡结构、自限组装和平衡组装结构中的拓扑缺陷。这种观点的目的是1）突出统一的原则和后果的几何挫折在软物质组件，2）分类已知的不同的“模式”的挫折和审查相应的实验例子，和3）描述尚未解决的突出问题的独特性质和行为的这一广泛的系统类别。
2016-09-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Mechanics of allostery: contrasting the induced fit and population shift scenarios
在变构蛋白中，结合配体可以影响远端位置的功能，例如通过改变活性位点处底物的结合亲和力。诱导适合和人口迁移模型，不同的假设数量的稳定配置，从热力学的角度解释这种合作结合。然而，理解什么机械原理约束这些模型仍然是一个挑战。在这里，我们提供了一个实证研究34蛋白质支持的想法，变构构象变化通常发生沿软弹性模式呈现扩展区域的高剪切。我们认为，基于一个详细的分析，如何沿这样的模式的能量分布依赖于绑定，在诱导适合的情况下，有一个最佳的刚度$k_a^*\sim 1/N$合作绑定，其中$N$是参与变构反应的残基的数量。我们发现，人口转移的情况下是更强大的突变影响刚度，作为绑定变得越来越多的合作与刚度相同的特征值$k_a^*$，超过该合作饱和，而不是衰减。我们在数值上证实了这些发现在一个非线性力学模型。动力学的考虑表明，$k_a^*$级的刚度在这种情况下也是有利的，支持了蛋白质为了实现适当的功能，必须进化出一种功能弹性模式，这种模式随着它们的尺寸增加而变得更软。与此观点相一致，我们发现在我们的数据集中，变构反应的刚度和蛋白质大小之间存在显著的正相关。
2019-10-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Multiscale polar theory of microtubule and motor-protein assemblies
微管和马达蛋白是自组织的亚细胞生物结构的基石，如有丝分裂纺锤体和中心体微管阵列。这些相同的成分可以形成新的“生物活性”液晶流体，其本质上是不平衡的，并且显示出复杂的流动和缺陷动力学。目前还没有很好地理解微观活动，其中涉及马达蛋白和微管之间的极性依赖性相互作用，产生这样的大尺度动力学结构。在我们的多尺度理论中，布朗动力学模拟的极性微管合奏驱动的交联电机使我们能够研究微观组织和应力。极性分选和交联松弛出现作为两个极性特定的主动不稳定应力的来源。在更大的长度尺度上，我们的连续体Doi-Onsager理论捕获了由极性相关的主动应力产生的流体动力学流动。结果连接局部极性结构的流动结构和缺陷动力学。
2015-01-27 cond-mat.soft
Delicate Analysis of Interacting Proteins and Their Assemblies by Flow Field-Flow Fractionation Techniques
本研究比较了多种AF4技术分离小麦谷蛋白的效率，发现常规AF4在SDS缓冲液中因聚焦步骤导致共洗脱，而筛板入口装置可实现单体分离；水/乙醇作为洗脱液时，常规AF4能有效分离谷蛋白及其动态组装体。
2024-07-17 cond-mat.soft physics.chem-ph
Multiscale modeling and simulation of microtubule/motor protein assemblies
微管和马达蛋白自组织成生物学上重要的组件，包括有丝分裂纺锤体和中心体微管阵列。在细胞外，微管-马达混合物可以形成新型的活性液晶材料，这些材料被消耗ATP的马达蛋白质驱动而失去平衡。微观运动活动导致运动蛋白和微管之间的极性依赖性相互作用，但这些相互作用如何产生如此大规模的动力学行为，如复杂的流动和缺陷动力学还没有得到很好的理解。我们开发了一个多尺度理论微管电机系统中，布朗动力学模拟的极性微管驱动电机被用来研究微观组织和电机介导的微管相互作用所产生的压力。我们确定极性分选和交联系链松弛作为两个极性特定的来源，积极的不稳定应力。然后，我们开发了一个连续的Doi-Onsager模型，捕获极性排序和这些极性特定的主动应力产生的流体动力学流动。在浸没表面上的主动湍流的模拟中，主动应力驱动湍流动力学以及向错缺陷的连续产生和湮灭。动态遵循两个不稳定性，并占沉浸性质的实验产生明确的特征长度和时间尺度。当关闭Doi-Onsager模型中的流体动力学时，我们捕获了在布朗动力学模拟中观察到的极通道的形成。
2015-10-07 cond-mat.soft
Impact of the protein composition on the structure and viscoelasticity of polymer-like gluten gels
我们研究了面筋聚合物样凝胶在水/乙醇，$50/50$ v/v，面筋蛋白的良好溶剂的二元混合物中的结构。谷蛋白包括两个主要的蛋白质家族，单体麦醇溶蛋白和聚合体麦醇溶蛋白。在半稀释状态下，散射实验突出了两类行为，类似于标准聚合物溶液和聚合物凝胶，这取决于蛋白质的组成。我们证明，这两类编码的蛋白质在非常稀的溶液中的结构特征，并与典型的大小几十纳米的蛋白质组件的存在。只有当蛋白质混合物充分富含谷蛋白时，组装体才存在。发现它们与凝胶中富含不可交换氢键的结构域的存在直接相关，并且其大小与蛋白质组装体的大小相当。由于它们独特的对比度，在中子散射实验中探测了这些域。我们发现，样品的粘弹性也直接相关的领域丰富的H-键的数量，显示的H-键在执政的聚合物面筋凝胶的粘弹性的关键作用。
2021-01-18 cond-mat.soft
Electrostatic attraction between cationic-anionic assemblies with surface compositional heterogeneities
静电在生物分子组装中起着关键作用。例如，在适当的离子条件下，带Opposite电荷的生物分子可以共组装成功能单元，如DNA和组蛋白蛋白组装成核小体，肌动蛋白结合蛋白复合物组装成细胞骨架组分。这些阳离子-阴离子共组装体通常具有表面电荷不均匀性，这是由静电和堆积约束之间的微妙平衡引起的。尽管它们的重要性，表面电荷异质性在阳离子-阴离子共组装体的组织中的确切作用还没有得到很好的理解。在这里，我们表明，与电荷的异质性的共同组装强烈的相互作用，通过极化的域。我们发现，这导致对称性破缺，这是重要的功能能力，和结构的变化，这是至关重要的组织的联合大会。我们确定的空间和疏水约束和静电相互作用之间的竞争的功能的吸引力的范围和强度。
2006-06-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Membraneless organelles formed by liquid-liquid phase separation increase bacterial fitness
液液相分离作为几种基本细胞过程中的关键现象而出现。一系列真核系统表现出液体冷凝物。然而，它们在通常缺乏膜结合区室的细菌中的功能仍然不太清楚。在这里，我们使用高分辨率光学显微镜来观察单个细菌侵袭体，纳米结构的细胞内蛋白质组装体，以掩盖它们在细胞应激中的作用。我们发现，侵略者体内的蛋白质是流动的，并进行动态周转，与液体状态一致。我们的观察结果是在定量协议相分离的液滴形成驱动下的热平衡下，在细胞质中的扩散碰撞后成核的相互作用的蛋白质。我们已经在多种细菌中发现了侵略体，并表明这些新兴的亚稳态液体结构蛋白质组装体通过使细胞能够耐受环境压力来增加细菌的适应性。
2021-06-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Studying protein assembly with reversible Brownian dynamics of patchy particles
蛋白质复合物如病毒壳、中心粒、核孔复合物或肌动蛋白细胞骨架的组装强烈地由它们的空间结构决定。此外，越来越清楚的是，蛋白质组装的可逆性也是其生物学功能的基本要素。在这里，我们介绍了一种计算方法的各向异性组装和完全可逆反应的补丁粒子的布朗动力学。不同的粒子随机缔合和解离的微观反应速率取决于它们的相对空间位置。所有蛋白质复合物的平移和旋转扩散特性进行了评价。因为我们专注于可逆组装，我们引入了一个计划，确保详细的平衡补丁粒子。然后，我们展示了宏观速率如何遵循微观速率。作为一个有指导意义的例子，我们研究了组装的五聚体环结构，我们发现模拟结果和宏观动力学描述之间的协议，没有任何可调参数。这表明我们的方法正确地解释了蛋白质组装中涉及的扩散和反应过程。
2014-05-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
