Memory, Bias and Correlations in Bidirectional Transport of Molecular Motor-driven Cargoes
分子马达是一种特殊的蛋白质，它在细胞骨架丝上进行主动的、定向的细胞货物运输。在许多情况下，由马达蛋白提供动力的货物运动被发现是双向的，并且可以被看作是有偏的随机行走，其中快速的单向运行穿插有缓慢的“拔河”状态。这种行走的统计特性尚不清楚，在这里，我们研究记忆和偏见，以及双向运输中连续运行之间的方向相关性。我们表明，使用一个纯粹的随机（拔河）模型的货物的方向反转概率的研究的基础上，细胞货物的双向运动是，在一般情况下，相关的随机行走。特别是，虽然由两个反向牵引电机驱动的货物的运动是马尔可夫随机行走，但当多个电机沿一个或两个方向牵引货物时，方向记忆出现。在后一种情况下，潜在的单电机过程的马尔可夫性质是隐藏的退化运行和暂停状态的货物之间的内部转换。有趣的是，记忆被发现是一个非单调的函数的电机数量。拔河模型的随机数值模拟支持我们的数学结果，并将其扩展到生物相关的情况。
2013-09-19 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Cytoskeletal network morphology regulates intracellular transport dynamics
在大多数真核细胞中，细胞内转运对于维持适当的细胞功能是必不可少的，主动转运的扰动导致几种类型的疾病。通过被动扩散和分子马达的主动运输相结合，将关键货物有效地递送到特定位置，所述分子马达沿着细胞骨架丝的网络弹道式移动。虽然电机为基础的运输是必要的，以克服细胞质拥挤和有限的范围内合理的时间尺度的扩散，拓扑结构的细胞骨架网络，调节运输效率和鲁棒性尚未建立。使用连续扩散模型，我们观察到，细胞运输所需的时间最小化时，网络是本地化的核附近。在明确纳入网络空间架构的模拟中，总细丝质量是网络渡越时间的主要驱动因素。然而，将货物重定向回细胞核的细丝陷阱引起了网络运输的巨大变化。在减少平均渡越时间方面，长丝极性比长丝取向更重要，并且在具有中间马达开和关速率的网络中优化了传输特性。我们的研究结果提供了重要的见解细胞内运输的功能约束下，细胞已经演变的细胞骨架结构，并通过合理的运输网络设计，在仿生系统中增强反应有潜在的应用。
2016-08-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Traffic by small teams of molecular motors
分子马达沿着细胞骨架丝运输各种货物，类似于公路上的卡车。然而，与交通工具不同的是，分子马达不是单独工作，而是以小团队的形式工作。我们描述了一个简单的模型，由一组发动机和两组发动机运输货物，这两组发动机向相反的方向行驶。我们在体外实验中观察到，一组马达的合作产生了长距离运输。两组马达的运输导致各种双向运动行为和动态不稳定性，使人想起自发对称性破缺。我们还讨论了货物运输队的电机允许细胞产生强大的远程双向运输。
2008-07-07 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Movements of molecular motors: Ratchets, random walks and traffic phenomena
驱动细胞内细胞器运输的进行性分子马达沿着细胞骨架丝定向运动。在大的时间尺度上，它们进行运动行走，即，特殊的随机游动，它是由纤维的反复解开和重新结合而产生的。无约束马达在周围流体中执行布朗运动。此外，分子马达的交通表现出许多合作现象。特别是，它面临着与街道上的交通类似的问题，例如交通堵塞的发生和（双向）交通的协调。这些问题在这里进行了研究，理论上使用晶格模型。
2005-02-22 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Phase transitions in systems with two species of molecular motors
利用驱动格子气模型，从理论上研究了两种活性分子马达在（细胞骨架）细丝上向相反方向运动的系统。马达可以从细丝上解开和重新绑定。如果两个马达属于同一物种，它们更有可能在相邻的细丝位点上结合。这些系统表现出（一）连续相变的状态与自发破缺对称性，其中一个电机的物种在很大程度上被排除在灯丝，（二）滞后的总电流变化后的相对浓度的两个电机的物种，和（iii）共存的交通车道与相反的方向在多灯丝系统。这些理论预测应该是实验上可以达到的。
2004-02-06 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Walks of molecular motors in two and three dimensions
与细胞骨架丝相互作用的分子马达经历由沿着丝的定向运动和在周围溶液中的扩散运动的交替序列组成的奇特的随机行走。一个合奏的电机进行了研究，与一个单一的灯丝在二维和三维的相互作用。的概率分布的时间演化的绑定和未绑定的电动机确定解析。平行于灯丝，马达的扩散强烈增强。解析表达式与蒙特卡罗模拟的结果吻合得很好。
2002-03-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Cooperative molecular motors moving back and forth
本文利用两态棘轮模型研究了极性随机交替的细胞骨架轨道上分子马达的双向协同运动。我们的模型基于先前提出的模型[Badoual等人，{ \em Proc. Natl. Acad. Sci. USA} { \bf 99}，6696（2002）]中的方法，并且此外，考虑了由于行走马达的联合作用而在细胞骨架轨道中产生的弹性张力所引起的协同效应。我们表明，无论是计算和分析，这种额外的协同效应导致的双向运动的特征反转时间显着减少，特别是在系统中有大量的电机。我们还发现，双向运动只发生在（几乎）a极轨道上，而即使是轻微的极轨道上的运动是单向的。我们认为，这些意见的起源是敏感的依赖于合作动力学之间的差异，通常工作在和反对瞬时运动方向的电机的数量。
2009-08-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Traffic of Molecular Motors
分子马达沿着细胞骨架丝进行主动运动，并驱动细胞器和其他货物颗粒在细胞中的运输。然而，与汽车的宏观交通相反，分子马达的交通特征在于有限的行走距离（或运行长度），之后马达从它移动的细丝上解开。未结合的马达在周围的水溶液中进行布朗运动，直到它们重新结合到细丝上。我们使用驱动格子气模型的变体来描述它们的主动运动，未绑定的扩散和绑定/未绑定的动态的相互作用。如果电机的浓度是大的，电机电机的相互作用变得重要，并导致各种合作的交通现象，如交通堵塞的细丝，边界诱导的相变，和自发对称性破缺系统中的两种电机。如果灯丝被大的马达储存器包围，则堵塞长度，即，交通堵塞的程度与步行距离相当。更长的堵塞可以在受限的几何形状中找到，例如管状隔室。
2005-12-06 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
A model for motor-mediated bidirectional transport along an antipolar microtubule bundle
细胞器的长距离双向运输依赖于马达蛋白驱动蛋白和动力蛋白。使用从真菌模型系统获得的定量数据，我们以前开发的ASEP模型的电机沿单极微管（MT）附近的细长菌丝细胞的细胞末端（本文称为“单极部分”）的双向运动。然而，最近在该系统中的定量活细胞成像已经证明，马达及其内体货物的长程运动性主要沿着细胞的中心部分（本文称为“双极部分”）内的延伸的反极微管束发生。动力蛋白和驱动蛋白-3马达协调它们的活动以双向方式移动早期内体（EE），其中动力蛋白沿着靠近细胞极的单极部分介导逆行运动，而驱动蛋白-3负责沿着反极部分的双向运动。在这里，我们扩展我们的建模方法来模拟沿反极微管束的双向运动。在我们的模型中，货物（颗粒）改变方向的每个MT与转向率$Ω$和MT相互连接在负端，在那里颗粒可以跳跃MT之间的速率$q_1$（障碍诱导切换率）或$q_2$（端诱导切换率）。通过数值模拟和平均场近似，我们研究了不同总密度$Θ$的MT的粒子分布。我们发现，即使$Θ$很低，系统也可以在正端和负端附近的密度分布中表现出由粒子碰撞引起的激波。我们还讨论了如何切换率$q_{1,2}$的影响类型的电机，占主导地位的积极运输束。
2012-11-21 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Role of interactions and correlations on collective dynamics of molecular motors along parallel filaments
被称为马达蛋白的细胞骨架马达是沿着几个平行的细胞骨架细丝驱动细胞运输并支持许多生物过程的分子。实验证据表明，它们在进行机械功的同时，与其细丝最近的分子相互作用。为了从理论上理解这一机制，本文提出了一种新的完全不对称的两通道简单排斥过程。针对现有的多通道系统分析方法偏离了通道间和通道内相互作用的影响，提出了一种新的多通道系统分析方法--修正的垂直聚类平均场方法。该方法与蒙特卡罗模拟一起成功地遇到了一些相关性，并计算了系统的所有复杂的动态特性。在三相点和粒子最大电流上观察到相互作用和通道间耦合的对称性的作用。令人惊讶的是，对于每个耦合率和大多数的相互作用分裂，有对应的最大电流属于弱排斥相互作用的情况下，最佳的相互作用强度。此外，对于固定的相互作用分裂，随着耦合率的增加，最佳强度降低，并趋向于实验预测。相关性被发现是短距离和较弱的排斥和弱吸引力的相互作用，而较强的吸引力，他们是长距离和更强。所有这些研究结果也讨论了实验观察的背景下。
2017-01-16 cond-mat.stat-mech
Bidirectional cooperative motion of myosin-II motors on actin tracks with randomly alternating polarities
许多分子马达的协同作用对于细胞运动和有丝分裂等动态过程是必不可少的。这种作用可以通过使用运动性测定来研究，其中跟踪细胞骨架丝在被马达蛋白质包被的表面上的运动。在以前的研究肌动蛋白-肌球蛋白II系统，观察到快速定向运动，反映了肌球蛋白II电机的趋势，单向传播沿肌动蛋白丝。在这里，我们提出了一个运动与肌动蛋白束组成的短丝状段随机交替极性测定。这些肌动蛋白轨迹表现出双向运动，在方向反转之间具有宏观上大的时间间隔（几秒的量级）。对这种双向运动的分析表明，特征反转时间$τ_{rev}$不依赖于运动束的大小或电机的数量$N$。这一观察结果与先前基于双态棘轮模型的理论计算相矛盾[Badoual等人，Proc. Natl. Acad. Sci. USA，vol.99，p.6696（2002）]，预测了$τ_{rev}$与$N$的指数增加。我们提出了一个修改后的版本，该模型考虑到弹性能量由于肌球蛋白II电机的肌动蛋白轨道的拉伸。新的模型产生了一个很好的定量协议与实验结果。
2009-03-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Walks of molecular motors interacting with immobilized filaments
分子马达在细胞骨架丝上的运动用直线上的定向行走来描述。允许从这条线上分离的概率很小。周围流体的运动可以用对称随机游动来描述。分离和再附着的影响计算的主方程的解析解。结果得到的分数绑定电机，他们的平均速度和位移。封闭的系统在有限的几何形状（管，板）导致一个实验上可实现的问题，这是研究在一个连续的描述，也在数值上的晶格模拟。
2004-08-30 cond-mat.stat-mech
The Interplay of Nonlinearity and Architecture in Equilibrium Cytoskeletal Mechanics
细胞骨架结构之间的相互作用和非线性的相互作用，由于bucklable丝在调节细胞的机械稳定性，并影响其结构重排起着关键作用。我们研究了一个模型的细胞骨架结构处理它作为一个无定形网络的硬中心刚性交联的非线性弹性弦，忽略机动化的影响。使用模拟与自洽声子方法，我们表明，这个极小模型表现出不同的物理稳定的机械相，取决于排除体积，交联浓度，长丝长度和刚度。在自由能泛函的框架下，利用结构玻璃的随机一级转变理论，进一步估算了该模型体系中发生动力学玻璃转变的特征密度。网络连接性强烈地调节各种平衡相之间的过渡边界，以及动力学玻璃化转变密度。
2011-06-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.CB
Bidirectional transport on a dynamic lattice
由分子马达传输的随机多粒子模型的双向变体显示出在静态晶格上形成宏观团簇的强烈趋势。受分子马达的微观轨道是动态的这一事实的启发，我们研究了不同类型的晶格动力学对随机双向输运的影响。我们观察到一个过渡到有效的运输（对应于大集群的溶解）控制的晶格动力学。
2010-10-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Random walks of molecular motors arising from diffusional encounters with immobilized filaments
分子马达在细胞骨架丝上的运动用直线上的定向行走来描述。允许从这条线上分离的概率很小。周围流体的运动可以用对称随机游动来描述。分离和再附着的影响计算的主方程在二维和三维的解析解。结果得到的分数绑定电机，他们的平均速度和位移。平行于细丝的扩散系数变得非常大，因为在束缚马达的定向运动的存在下，分离和随后的再附着导致密度分布的加宽。微管上原丝的出现是由结合位点的内部状态来模拟的。经过一段短暂的时间后，所有的原丝变得同样多。
2003-12-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Traffic flow of interacting self-driven particles: rails and trails, vehicles and vesicles
车辆、蚂蚁和驱动蛋白发动机的一个共同特征是，它们都将来自燃料或食物的化学能转化为向前运动所需的机械能;近年来，这些物体被建模为{ \it自驱动}"粒子“。细胞骨架丝，例如，微管通过分子马达如驱动蛋白形成用于囊泡货物的细胞内运输的“轨道”网络。类似地，蚂蚁沿着小路移动，而车辆沿着车道移动。因此，交通工具和有机体以及分子马达的交通可以被建模为相互作用的自驱动粒子系统;这些是当前非平衡统计力学的兴趣。在本文中，我们指出这些模型系统的共同特点，并强调其物理性质的关键差异。
2003-04-11 cond-mat.stat-mech
From aggressive driving to molecular motor traffic
动力蛋白马达蛋白的步长最近的实验结果的启发，我们开发了一个元胞自动机模型的动力蛋白马达的细胞内交通纳入特殊功能的障碍依赖步长的个别电机。我们首先调查的侵略性驾驶模型（ADM），一个简单的元胞自动机为基础的车辆交通模型，其中一个独特的功能是，它允许一个自然的扩展，以捕捉动力蛋白汽车交通的基本特征的属性。我们首先计算几个集体属性的ADM，在周期性和开放的边界条件下，分析使用两种不同的平均场方法，以及通过进行计算机模拟。然后，我们扩展的ADM，将附着和分离的电机上的轨道，这是一个共同的特点，被统称为细胞骨架马达的一大类马达蛋白的可能性。的边界和散装动力学的附着和分离的电机的轨道的相互作用，产生了一个阶段，高和低密度相分离的稳定的畴壁共存。我们还比较和对比我们的结果与模型Parmeggiani等。等（Phys. Rev. Lett. { \bf 90}，086601（2003）），其可以被认为是用于称为驱动蛋白的运动蛋白的密切相关家族的运输的极小模型。最后，我们比较了动力蛋白和驱动蛋白马达的运输效率在一个范围内的模型参数的值。
2006-10-07 cond-mat.stat-mech
Bidirectional motion of filaments: Role of motor proteins and passive cross linkers
在真核细胞中，马达蛋白（MP）与细胞骨架丝结合并沿其定向运动，产生主动应激。在细胞分裂过程中，一种纺锤体结构的重叠反平行微管（MT）的形式，其稳定性和动力学的影响下的MPs已被广泛研究。尽管已知被动交联剂（PCL）为丝状网络提供结构稳定性，但MP的ATP依赖性主动力和PCL对MT重叠的被动熵力之间的相互作用的后果仍然在很大程度上未被探索。在这里，我们制定和表征的模型来研究这一点，使用线性稳定性分析和数值积分。在PCL的存在下，我们发现动态相变与变化的活动表现出制度的稳定部分重叠或没有振荡，不稳定的完全重叠，和稳定的极限环振荡，出现通过超临界Hopf分叉，其特征在于由MP和PCL参数确定的振荡频率。我们发现，重叠动力学和稳定性的关键取决于是否重叠对的两个MT是可移动的或一个是固定的，在体内和体外研究具有潜在的影响。
2017-06-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modelling cytoskeletal traffic: an interplay between passive diffusion and active transport
我们介绍了完全不对称的排斥过程与朗缪尔动力学（TASEP-LK）的网络作为一个微观模型的积极电机蛋白运输的细胞骨架，沉浸在扩散的细胞质。我们讨论了如何沿着网络和无限扩散的散装水库的积极运输之间的相互作用导致在各种尺度上的非均匀物质分布。我们发现三个制度的稳态运输，对应的规模的网络，个别路段或当地的网站。在低汇率下，网络中不同部分之间会产生强密度异质性。在这种情况下，必须考虑整个网络的拓扑复杂性来描述传输。相比之下，在中等汇率下，通过网络的传输是双向的，并且物理由单个段和局部拓扑决定。最后，对于很高的交换率，均相朗缪尔过程占主导地位的定态。我们引入网络的有效速率图来识别这些不同的制度。基于这种方法，我们开发了一个直观的，但一般的图片如何排除体积过程的复杂网络的定态可以理解的单段相图。
2012-12-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.CG
Exclusion processes on networks as models for cytoskeletal transport
我们提出了一个研究网络上的排斥过程作为模型的复杂的运输现象，特别是主动运输的马达蛋白沿细胞骨架。我们认为，网络上的主动输运过程自发地发展在不同尺度上的密度不均匀性。这些异质性可以通过多种多尺度因素来调节，例如排斥相互作用的相互作用、传输过程的非平衡性质和网络拓扑结构。我们展示了如何有效率的方法，可以通过复杂的网络从一个单一的段的相图的运输过程的稳态的理解。对于排斥过程，我们合理化的定态可以分为三个定性不同的制度：一个均匀的阶段，以及非均匀的网络和段阶段。特别地，我们在这里提出了一个非平衡统计物理的三个范例模型的网络上的定态的研究：完全不对称的简单排斥过程，部分不对称的简单排斥过程和完全不对称的简单排斥过程与朗缪尔动力学。通过这些模型，我们可以在平衡（由于沿着网络的双向运动或无限扩散）和沿着网络的非平衡主动定向运动之间进行插值。对这些模型的研究进一步阐明了活动现象中密度不均匀性的出现。
2013-04-06 cond-mat.stat-mech nlin.CG 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
Clustering in two models of interacting motors
我们研究了两个物种的双向排斥过程，和一个单一的物种的变体，这是出于细胞器和囊泡沿微管的运动。具体而言，我们感兴趣的是在一个单一的大集群的翻译转换率的比率$Q$的颗粒和外观的集群是不同的。我们发现，虽然对于一个有限的系统，有一个集群现象，其中发现一个单一的大集群的概率从可以忽略不计的变化，具有有限的值，该现象转移到更大的$Q$值作为系统的大小增加。这表明，所观察到的集群是不是一个真正的（非平衡）过渡在热力学意义上，而是一个有限尺寸的效果。
2020-03-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Bidirectional transport in a multispecies TASEP model
我们研究了一个最小的晶格模型，它描述了双向运输的“颗粒”驱动沿着一个一维的轨道，观察到在微管为基础的，马达蛋白驱动的双向运输的货物囊泡，脂质体和细胞器，如线粒体。这个极小模型是一个具有方向转换的多物种完全不对称排斥过程（TASEP），它可以为理解一维空间中单个粒子的转换动力学和粒子的集体运动之间的相互作用提供一个框架.当切换比移位快得多时，颗粒的稳态密度和电流分布在本体中是均匀的，并且通过平均场（MF）理论很好地描述，如通过与蒙特卡罗模拟比较所确定的。在此极限下，我们构造了一个非平衡相图。远离这种快速切换制度，MF理论失败，虽然平均堆积密度分布仍然保持均匀。我们研究的稳态行为的易位和净开关率，Q的比率的函数，并找到一个独特的一阶相变在有限的Q与不连续的变化的体积密度。当开关速率进一步降低时（保持移位速率不变），系统接近净电流趋于零的堵塞阶段，其值为J ~ 1/Q。
2011-01-28 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
