Cooperation and competition in the collective drive by motor proteins: Mean active force, fluctuations, and self-load
本文研究马达蛋白集体驱动生物丝的动力学，通过解析与模拟揭示平均力与涨落规律，并发现马达蛋白竞争产生的自负载影响丝运动。
2023-05-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Entropic Studies of Cytoskeletal Motors Jamming
从细胞骨架丝上的分子马达的运动轨迹，是否可以追溯到细胞内运输中断的不同原因？我们将尝试从信息论的角度来回答这个重要的问题，在微管-马达蛋白相互作用的蒙特卡罗模型。
2007-04-28 cond-mat.soft
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
A simple model for conserved intracellular dynamics exhibits multiscale pattern formation, traveling protein domains and arrested coarsening of lipid domains
Physikalisch-Technische Bundesanstalt（德国联邦物理技术研究院）；Freie Universität Berlin（柏林自由大学）；Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)（加泰罗尼亚理工大学）
通过耦合保守反应扩散模型和Cahn-Hilliard方程，研究膜结合蛋白与脂质组成的时空动力学，发现多尺度图案中蛋白质迁移域与脂质静止域共存，并出现粗化停滞。
2026-05-31 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Interaction Between Motor Domains Can Explain the Complex Dynamics of Heterodimeric Kinesins
马达蛋白是一种在许多生物过程中起关键作用的活性酶分子。它们将化学能转化为机械功，并沿刚性细胞骨架细丝单向运动。单分子实验表明，马达蛋白，由两个马达结构域，移动在一个手在手的机制时，每个亚基之间的变化，在交替步骤的尾随和领先的位置，这些亚基不相互作用。然而，最近的实验表明，异源二聚体驱动蛋白的运动域不是独立的，而是强烈耦合和协调，虽然这些相互作用的机制还不清楚。我们提出了一个简单的离散随机模型来描述同二聚体和异二聚体双头马达蛋白的动力学。有人认为，马达结构域之间的相互作用修改每个马达亚基的自由能景观，马达蛋白仍然通过手在手的机制，但不同的转换速率。我们的生物物理性质的计算与实验观察一致。提出了几种检验理论模型的方法。
2007-03-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Intracellular facilitated diffusion: searchers, crowders and blockers
在细菌中，调节蛋白通过“易化扩散”寻找特定的DNA结合靶点：细胞质中的一系列3D扩散，以及沿着DNA轮廓的1D线性扩散。使用大规模的布朗动力学模拟，我们发现，这些步骤中的每一个都受到拥挤蛋白质的不同影响，这些蛋白质可以与DNA结合，作为一维扩散的路障，也可以在细胞质中自由扩散。大分子拥挤可以强烈地影响机械特征，如3D和1D扩散之间的平衡，但导致总搜索时间的惊人的鲁棒性。
2013-09-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
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
Cytoskeletal filament length controlled dynamic sequestering of intracellular cargo
运动货物的空间定位或隔离及其在细胞内的分散是许多生理环境中的重要过程。细胞骨架网络的形态，沿着其发生主动的、马达驱动的细胞内运输，在调节这些运输阶段中起着关键作用。在这里，我们使用一个计算模型来解决动态隔离的存在和敏感性，以及它如何依赖于控制细胞骨架网络几何形状的参数，重点是细丝长度和极化远离或朝向周边。我们的细胞内运输模型解决了货物的概率分布的时间演化，该货物通过被动扩散在散装细胞质中运输，并由明确呈现的极性细胞骨架丝随机取向的马达驱动。我们发现，根据网络中细丝的长度和极化，动态隔离区域可以在细胞的不同区域形成。此外，我们发现，对于某些参数，货物的停留时间是非单调的增加细丝长度，表明动态封存的最佳制度，是潜在的可调通过细丝长度。我们的结果与{ \it in vivo}观察结果一致，并表明通过细胞骨架网络调节可调地控制货物螯合的能力可以提供调节细胞内转运阶段的一般机制。
2019-07-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
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
Stall force of a cargo driven by N interacting motor proteins
我们研究了一个通用的一维模型，由N马达蛋白驱动的细胞内货物对外部施加的力。该模型包括电机货物和电机电机的相互作用。货物运动由过阻尼朗之万方程描述，而电机动力学由跳跃率指定，该跳跃率遵循相对于每个跳跃事件能量变化的局部细致平衡条件。基于这个模型，我们表明，失速力，平均外力对应于零平均货物速度，是完全独立的相互作用的细节，因此，总是等于单个电机的失速力的总和。这个精确的结果是基于一个简单的假设得出的：货物失速的（宏观）状态类似于热力学平衡状态，其特征在于任何两个微观状态之间的净概率流为零，后者由相对于货物的电机位置指定。并确定了失速状态下微态的概率分布。这些预测是在完全一致的数值模拟，使用特定形式的相互作用势进行。
2017-02-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Memory-induced current reversal of Brownian motors
本文研究了记忆对布朗电机动力学的影响，揭示了记忆诱导的电流反转效应及相空间中的动态局域化现象。
2025-12-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Intracellular phagosome shell is rigid enough to transfer outside torque to the inner spherical particle
本文利用光学捕获的球形双折射颗粒吞噬体，结合高精度平移与旋转校准方法，揭示了吞噬体壳层的高刚性及其旋转-平移耦合动力学，并通过最小模型证明该耦合表现为相空间中持续通量，标志着细致平衡被破坏。
2025-11-05 cond-mat.soft physics.bio-ph
Rotation-Beating dynamics of a driven flexible filament: role of motor protein properties
本研究利用数值模拟探讨了马达蛋白特性对驱动柔性丝动力学行为的控制，发现系统存在涨落、旋转和拍打三种状态，并揭示了状态转变的力学条件与机制。
2024-09-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Motor protein transport along inhomogeneous microtubules
许多细胞过程依赖于细胞将物质运输到细胞核和从细胞核运输物质的能力。由许多微管和肌动蛋白丝组成的网络是这种运输的关键。最近，细胞内运输的抑制已经涉及神经变性疾病，如阿尔茨海默病和肌萎缩性侧索硬化症（ALS）。此外，微管可能含有所谓的缺陷区域，其中马达蛋白速度由于其他马达和微管相关蛋白的积累而降低。在这项工作中，我们提出了一个新的数学模型描述运动的微管，其中包括一个有缺陷的区域的蛋白质。我们采用平均场方法从第一原理晶格模型来研究马达蛋白动力学和密度分布。特别是，给定一组模型参数，我们得到一个封闭形式的表达沿给定的微管的平衡密度分布。然后，我们使用离散模型的数学分析和Monte Carlo模拟来验证分析结果。这项工作将有助于对不均匀微管的基本理解，从而深入了解可能导致神经退行性疾病发作的微观相互作用。我们的结果为非均匀的微管是一致的，与以前的工作研究均匀的情况。
2020-05-05 cond-mat.soft math.AP q-bio.SC
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
Transport of organelles by elastically coupled motor proteins
马达驱动的货物运输是一种复杂的现象，其中附着在货物上的多个马达蛋白参与拉动活动，通常导致拔河，显示双向运动。然而，大多数数学和计算模型忽略了汽车-货物相互作用的细节。在这里，我们研究了一个通用的模型，其中N个电机弹性耦合到货物，这本身是受到热噪声在细胞质和一个额外的外部施加的力。选择马达跳跃速率以满足相对于弹性拉伸能量的细致平衡。在这些假设下，构造了一个（N+1）变量的主方程的动力学的汽车货物复杂。通过扩展的跳跃率在电机位置的波动线性顺序，我们得到一个线性的福克-普朗克方程。分离出了控制平均量的确定性方程，得到了货物的平均速度和扩散系数的显式解析表达式。我们还研究了单个电机所经历的力的统计特征，并定量地描述了货物绑定电机之间的负载分配。平均货物速度和有效扩散系数被发现是刚度的递减函数。而增加的数量的电机N并没有增加的速度显着，它降低了有效的扩散系数，其下降为1/N渐近。我们进一步表明，货物绑定电机共享的力施加在货物上相等，只有在极限的消失弹性刚度;随着刚度的增加，从相等的负载分配的偏差进行观察。数值模拟与我们的分析结果符合预期。有趣的是，我们在模拟中发现，失速力的货物弹性耦合到电机是独立的刚度。
2016-06-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Scale dependence of mechanics and dynamics of active gels with increasing motor concentration
细胞骨架蛋白肌动蛋白组装成大束时，支持在细胞中的压力，但成长为一个精细的分支网络，以诱导细胞运动。这样的自组织过程中研究的人工网络的细胞骨架蛋白与厚肌动蛋白束和大马达蛋白聚集体，使光学观察。在这里研究了由小得多的电机组件组成的网络中的电机聚集体的大小对细胞骨架力学性能的影响。已知大的马达蛋白簇通过引入张力和额外的交联位点来增加基于肌动蛋白的网络的刚度。我们发现，这些影响是普遍的肌动蛋白凝胶，无论肌动蛋白束的厚度和电机聚集体的大小和相关的，因此，以广泛的细胞骨架为基础的细胞过程。相比之下，电机引起的主动波动显着依赖于电机组件的大小，具有独特的非高斯统计在高浓度的小组件。
2018-06-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
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
Dual antagonistic role of motor proteins in fluidizing active networks
细胞使用相同的分子构建块完成不同的功能，从建立细胞质流到产生机械力。特别地，这些非平衡态之间的转换是通过调节细胞骨架蛋白的表达和活性来触发的。然而，这些蛋白质如何设置细胞骨架的大尺度力学和驱动这种非平衡相变仍然知之甚少。在这里，我们表明，一个最小的网络的生物聚合物，分子马达，和交联剂表现出两个不同的新兴行为取决于它的组成，自发流动像一个活跃的流体，或屈曲像一个活跃的固体。分子马达发挥双重拮抗作用，根据ATP浓度使网络流化或硬化。通过结合实验、连续介质理论和化学动力学，我们确定了如何通过设定每种组分的浓度来组装具有目标活性和弹性的材料。主动和弹性应力可以通过光诱导的运动活动脉冲进一步原位操纵，控制固体到流体的转变。这些结果突出了细胞骨架应力如何调节生命物质的自组织，并为活性物质的合理设计和控制奠定了基础。
2021-12-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Forced desorption of semiflexible polymers, adsorbed and driven by molecular motors
我们制定和表征的模型来描述半柔性聚合物的动力学活动的存在下，由于电机蛋白附着不可逆的基板，和横向拉力作用在一端的细丝。马达蛋白的随机结合-解结合及其沿聚合物移动的能力产生主动力。当拉力达到阈值时，聚合物最终从基底上解吸。进行分子动力学模拟的聚合物中存在的朗之万热浴，和随机电机活动，我们得到的解吸相图。解吸馏分的波动的相关时间增加，接近完全解吸，定量捕获的幂律谱密度。我们目前的相图的理论分析，使用平均场近似在弱弯曲极限的聚合物和进行线性稳定性分析。这预测的解吸力与聚合物的抗弯刚度，主动速度和马达蛋白的持续合成能力的增加，以捕捉模拟结果的主要特征。
2015-10-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Run-and-pause dynamics of cytoskeletal motor proteins
细胞骨架马达蛋白参与主要的细胞内转运过程，这对于维持适当的细胞功能至关重要。电机表现出不同的运动状态：沿细丝的主动运动，和有效的固定相，其中它从细丝分离，并在附近的分离点由于细胞质拥挤进行被动扩散。运动阶段和暂停阶段之间的转换率一般是不对称的，并且受到环境条件变化的很大影响，环境条件的变化会影响货物交付到特定目标的效率。通过考虑分子马达在单纤维上的运动以及动态纤维网络，我们提出了一个分析模型的自推进粒子的动力学经历频繁的暂停阶段。运动持续性，丝状网络的结构特性和运动的两种状态之间的过渡速率之间的相互作用急剧改变了动力学：不同类型的异常扩散动力学之间的多个过渡发生和交叉时间的渐近扩散或弹道运动变化了几个数量级。我们绘制出的过渡率的空间中的相图，并解决所产生的动力学运动的初始条件的作用。
2016-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Morphological and dynamical properties of semiflexible filaments driven by molecular motors
我们考虑一个明确的模型的半柔性丝运动在两个维度上的滑行测定马达蛋白质，附着到和脱离丝段随机，脱离率取决于当地的负载经历。附着的马达蛋白沿着细丝移动到它的一端，其速度随着马达蛋白的延伸而非线性地变化。作用在灯丝上的合力使它失去平衡。从平衡的距离反映在端到端的分布，改性的弯曲刚度，和过渡到螺旋形态的聚合物。活动的局部应力依赖性导致质心的速度和方向的相关波动，从而导致其动力学中的一系列弹道扩散交叉。
2019-05-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Dynamics of relaxation to a stationary state for interacting molecular motors
马达蛋白是一种具有活性的酶分子，它驱动着多种生物学过程，包括遗传信息的传递、细胞运输、细胞运动和肌肉收缩。众所周知，这些生物分子马达通常通过集体行动来执行其细胞任务，并且在指定整体集体行为的个体马达之间存在相互作用。与马达蛋白集体动力学相关的基本问题之一是它们是否在稳态条件下发挥作用的问题。为了研究这个问题，我们分析了相互作用的分子马达系统到定态的弛豫。我们的方法利用了一个最近开发的理论框架，该框架将马达蛋白的集体动力学视为相互作用粒子的完全不对称的简单排斥过程，其中通过一种物理上一致的方法考虑相互作用。弛豫到稳态的动力学分析使用依赖于平均场描述的畴壁方法，该方法考虑了一些相关性。结果表明，系统在排斥作用下会迅速弛豫，而吸引作用总是减慢到达定态的速度。它还预测，对于一些参数范围内的最快的弛豫可能实现弱排斥相互作用。我们的理论预测与Monte Carlo计算机模拟进行了测试。我们的研究结果对生物系统的影响进行了简要讨论。
2017-08-02 cond-mat.soft
Molecular motors enhance microtubule lattice plasticity
微管是活细胞的关键结构元件，对于细胞分裂、细胞内运输和运动至关重要。最近的实验表明，微管切割蛋白和分子马达刺激游离微管蛋白直接和局部掺入到轴中。然而，微管相关蛋白如何影响晶格的机制图片是完全缺失的。在这里，我们从理论上探讨了一个潜在的机制，晶格周转的过程性分子马达刺激，其中一个弱的瞬态不稳定的晶格马达步进促进移动空位的形成。在没有游离微管蛋白的情况下，缺陷迅速扩展，导致完全断裂。在存在自由微管蛋白的情况下，马达行走诱导在与马达行走相反的方向上的空位漂移。漂移是伴随着直接和本地化的免费的微管蛋白的掺入沿轨迹的空缺。我们的研究结果与实验一致，并强烈表明，一个弱的晶格电机相互作用是负责增强微管轴可塑性。
2022-09-19 cond-mat.soft q-bio.SC
Classification of Intracellular Protein Patterns from Reactive Equilibria
Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑大学）；Arnold Sommerfeld Center for Theoretical Physics and Center for NanoScience（阿诺德·索末菲理论物理中心与纳米科学中心）；University of California Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；Kavli Institute for Theoretical Physics（卡弗里理论物理研究所）；Max Planck School Matter to Life（马克斯·普朗克物质与生活学院）
该研究开发了基于守恒结构的几何分类框架，将多组分反应-扩散网络的稳定性分析简化，可预测模式形成不稳定性，应用于原核与真核生物系统，为非平衡系统模式形成研究提供了可解释的实验可行框架。
2026-08-17 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Modeling bacterial flagellar motor with new structure information: Rotational dynamics of two interacting protein nano-rings
在这篇文章中，我们开发了一个数学模型的旋转细菌鞭毛马达（BFM）的基础上最近发现的定子复合物（MotA $_5$ MotB $_2$）的结构。该结构表明定子也旋转。BFM被建模为两个相互作用的旋转纳米环。具体地，质子通过定子复合物的移位驱动MotA五聚体环的旋转，这又通过定子的MotA环和转子的FliG环之间的相互作用驱动转子中的FliG环的旋转。结构知情模型的初步结果与观察到的扭矩-速度关系是一致的。更重要的是，该模型预测独特的转子和定子动力学及其负载依赖性，这可能是由未来的实验测试。可能的方法来验证和改进的模型，以进一步了解分子机制的扭矩产生BFM进行了讨论。
2022-02-11 cond-mat.soft q-bio.BM q-bio.SC
Active patterning and asymmetric transport in a model actomyosin network
细胞骨架网络，本质上是运动丝组装，在许多发育过程中发挥重要作用，包括结构重塑和形状变化。这些是通过非平衡自组织过程实现的，该过程产生功能模式并驱动细胞内运输。我们构建了一个最小的物理模型，它结合了单个细丝的非线性弹性响应和力依赖的电机动作之间的耦合。通过进行随机模拟，我们表明，电机过程的相互作用，描述为驱动反相关运动的网络顶点，和网络的连通性，这决定了渗透性质的结构，确实可以捕获的动力学和结构的协同性，从而引起不同的模式实验观察。单个细丝的屈曲不稳定性被发现在局部化崩溃事件中起着关键作用，由于局部力的不平衡。电机驱动的屈曲诱导的节点聚集提供了一种动态机制，该机制使二维图案稳定在表观静态渗流极限以下。协调电机动作也被证明可以抑制随机热噪声在大的时间尺度上，二维配置，系统开始，从而保持平面的结构发展过程中。通过对三维锚定网络进行类似的模拟，我们发现肌球蛋白驱动的连接良好的肌动蛋白网络的各向同性收缩，当与机械锚定相结合时，赋予集体运动的方向性，可能代表了一种新的细胞内运输机制，如海星卵母细胞中的染色体易位所揭示的。
2014-12-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Collective transport of weakly interacting molecular motors with Langmuir kinetics
基于纤维的细胞内转运涉及分子马达蛋白的集体作用。实验证据表明，微管（MT）丝结合的马达蛋白，如{ \it驱动蛋白}在运输过程中相互之间以及与周围细胞环境的相互作用很弱。基于这些观察结果，我们研究了分子马达在开丝上集体单向输运的驱动格子气模型，该模型考虑了分子马达在开丝上的短程相互作用，并通过分子马达的吸附-脱附朗缪尔（LK）动力学将分子马达在开丝上的输运过程与周围的细胞环境耦合起来.我们分析这个模型的框架内的平均场（MF）理论的限制{ \it弱}之间的相互作用的电机。我们指出这个模型与Katz-Lebowitz-Spohn（KLS）模型的非保守版本的映射。该系统表现出丰富的相行为与各种不均匀的相，包括局部冲击的大部分的灯丝。我们得到的稳态密度和电流分布，并分析它们的相互作用的强度的函数的变化。我们将这些MF结果与蒙特卡罗模拟进行比较，发现只要电机相互作用较弱，MF分析就显示出相当好的一致性。我们还绘制了非平衡MF相图。
2015-01-09 cond-mat.soft
Using a Fast Adaptive Function Approximator to calculate Protein-Filament Binding Kinetics
本文提出基于树搜索与并行计算的自适应快速 Chebyshev 逼近器，用于恢复交联蛋白平衡分布，使 kinetic Monte Carlo 结合模拟满足细致平衡并兼顾效率。
2024-05-08 cond-mat.soft
Molecular motors stiffen non-affine semiflexible polymer networks
重构的丝状肌动蛋白网络与肌球蛋白马达蛋白形成活性凝胶，其中马达蛋白产生驱动网络远离平衡的力。这种运动活动也可以强烈影响网络弹性;实验表明，在体外网络与分子马达显着硬化。在这里，我们研究了电机产生的力对模拟的2D网络的无热刚性细丝力学的影响。我们将展示异质内部电机应力如何导致网络中的纤维弯曲模式所支配的硬化。电机被建模为力偶极子，导致肌肉样收缩。这些收缩“拉出”系统中的松弛弯曲模式，这引起向更硬的拉伸主导状态的交叉。通过这种机制，马达可以导致非线性网络响应，即使构成细丝本身是纯线性的。这些结果对活细胞的力学具有影响，并为具有可调机械性能的活性生物材料提出了新的设计原则。
2010-09-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hitchhiking Through the Cytoplasm
我们提出了一种替代机制，细胞内货物运输的结果，从电机引起的纵向波动的细胞骨架微管（MT）。纵向波动与瞬时货物结合到MT导致长距离运输，即使是货物和囊泡上没有分子马达。我们称之为“搭便车”的拟议传输机制为广泛观察到的但仍然神秘的沿MT的双向传输现象提供了一致的解释。我们表明，利用搭便车机制的细胞可以有效地向上和向下调节不同囊泡的运输，通过调整其结合动力学特征MT振荡频率。
2006-08-24 cond-mat.soft
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
A Brownian Dynamics Model of Kinesin in Three Dimensions Incorporating the Force-Extension Profile of the Coiled-Coil Cargo Tether
驱动蛋白家族的马达蛋白参与多种细胞过程，运输物质和产生力。随着实验技术的最新进展，例如可以探测单个分子的光镊，人们越来越感兴趣地了解马达蛋白将化学能转化为机械功的机制。在这里，我们提出了一个数学模型的化学和三维力学的驱动蛋白马达蛋白，它捕获了许多力依赖的功能的电机。对于将货物附着到马达的系绳的弹性，我们开发了一种方法，用于从光阱数据导出非线性力-延伸关系。对于驱动蛋白头，货物，和显微镜阶段，我们制定了一个三维布朗动力学模型，考虑到排除体积相互作用。为了有效地计算统计数据的模型的算法，提出了使用两步协议，该协议分离的模型的化学动力学的模型的机械特征的模拟。利用该方法计算了马达输送的小球的力相关平均速度和随机参数，并与实验数据进行了比较。
2009-10-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Time traces of individual kinesin motors suggest functional heterogeneity
传统的分析在体外测定马达蛋白依赖于假设，所有的蛋白质具有相同的化学组成的功能相同;然而，分子到分子的变化，经常看到，即使在良好的控制实验。为了获得一组统计学上有意义的时间轨迹，同时避免任何实验文物，我们进行了量子点标记的驱动蛋白实验的表面和悬浮微管。类似于玻璃系统，我们发现，平均速度的个别驱动蛋白电机变化很大，从一个电机到另一个，其变化大于预期的随机变化的步进时间。在存在非均匀性的情况下，诸如扩散常数或随机性参数之类的整体平均量是不明确的。我们建议通过将单分子测量的异质数据分解成同质子集合来分析它们。
2015-08-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Formation of protein-mediated tubes is governed by a snapthrough transition
质膜管普遍存在于细胞膜和细胞内细胞器的膜中。它们在运输、离子运输和细胞运动中起着至关重要的作用。质膜管的形成可能是由于作用在膜上的局部力或由膜结合蛋白诱导的曲率。在这里，我们提出了一个数学框架来模拟蛋白质诱导各向异性自发曲率形成的圆柱形管状突起。我们的分析表明，管半径取决于一个有效的张力，其中包括从裸膜张力和蛋白质诱导的曲率的贡献。我们还发现，管的长度经历了一个突然的过渡，从一个短的，圆顶形的膜长圆柱体，这种过渡是一个突变的不稳定性的特点。最后，我们表明，突变不稳定性取决于不同的参数，包括涂层面积，弯曲模量，和蛋白质诱导的曲率的程度。我们的研究结果表明，由于BAR结构域蛋白的过程中，如内吞作用，在肌细胞中的t-小管形成，和嵴形成线粒体管的形成。
2022-06-08 cond-mat.soft
Bidirectionality From Cargo Thermal Fluctuations in Motor-Mediated Transport
分子马达蛋白是细胞内运输的重要组成部分，通过产生力来沿着细胞骨架丝拖动货物。两种方向相反的马达（例如驱动蛋白、动力蛋白）可以附着在相同的货物上，已知这会产生双向净运动。虽然以前的工作集中在电机数量作为开关的驱动噪声源，我们提出了一种替代机制：货物扩散。本文提出了一个平均场数学模型来研究两种分子马达与货物热涨落（扩散）的机械相互作用。电机对货物速度波动的延迟响应被量化，允许完整模型减少单个“特征距离”，这是货物上净力的代理。然后发现该系统是亚稳态的，完全由于不同的定向运输状态之间的货物扩散切换。然后使用平均首次通过时间分析研究在这些状态之间切换的时间。切换时间被发现是非单调的货物的阻力，提供了一个实验测试的理论。
2016-12-27 cond-mat.soft math.DS physics.bio-ph
Molecular Mechanisms for Microtubule Length Regulation by Kinesin-8 and XMAP215 Proteins
细胞骨架由大量的酶调节，这些酶影响细胞骨架丝的稳定性和动力学。驱动蛋白-8家族的分子马达以长度依赖的方式解聚微管，实验和理论证据表明驱动蛋白-8在微管的动态调节中起作用。然而，到目前为止，这些分子马达如何与生长的微管尖端相互作用的详细分子机制仍然难以捉摸。在这里，我们调查两个相互作用的场景驱动蛋白-8和微管尖端。我们给出了一个全面的分析制度的长度调节是可能的，以及固定长度如何取决于生化速率和各种蛋白质的体积浓度。对于一个中性的情况下，微管生长，无论微管尖端是否被分子马达占据，长度调节是可能的，只有一个狭窄的范围内的生化速率和限制到小的聚合速率。相比之下，对于抑制情况，其中在微管尖端存在马达抑制微管生长，长度调节的范围非常广泛，包括高生长速率。这些结果也适用于聚合酶，如XMAP 215和驱动蛋白-8相互排斥的微管尖端的情况。我们还研究了这两种情况下的随机动力学。而对于中性的情况下长度是严格控制的，长度动态是间歇性的抑制情况下，并表现出延长期的微管生长和收缩，让人想起微管动态不稳定。从更广泛的角度来看，在这项工作中建立的一组模型相当普遍地表明，在细胞骨架丝末端的分子的相互排斥是丝动力学和调节的一个重要因素。
2014-05-22 cond-mat.soft 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
A viscoelastic theory for ultrasound-induced intracellular streaming
Institute for Theoretical Physics, Heidelberg University（海德堡大学理论物理研究所）；BioQuant, Heidelberg University（海德堡大学生物定量研究中心）；Max Planck Institute for Medical Research（马克斯·普朗克医学研究所）
该研究开发半解析粘弹性模型，结合摄动与分波展开法，预测超声诱导细胞内流的流型与能量分布，揭示流反转及密度、可压缩性对比的影响，探讨其在细胞感知信号传导的潜在应用。
2026-09-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Design principles for selective self-assembly of active networks
活细胞动态地调节其肌动蛋白细胞骨架的局部形态以执行生物学功能，包括力传递、细胞内运输和细胞分裂。一个主要的挑战是了解肌动蛋白细胞骨架的不同结构是如何从一组有限的分子构建模块组装而成的。在这里，我们研究了自发自组装的极小模型的细胞骨架材料，包括半柔性肌动蛋白丝，交联剂，和分子马达。使用粗粒度的模拟，我们表明，通过改变浓度和动力学的交联剂和电机，我们可以产生三个不同的结构阶段的肌动球蛋白组件：捆绑，极性排序，并收缩。我们引入新的指标来区分这些结构阶段，并展示其功能作用。我们发现，电机和交联剂的结合动力学可以调整，以优化收缩力的产生，电机运输和机械响应。通过定量表征细胞骨架自组装模式之间的关系，所产生的结构，以及它们的功能后果，我们的工作提出了新的原则，活性材料的设计。
2018-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
