Modeling anisotropic elasticity of fluid membranes
分隔细胞及其细胞器的生物膜表现出各种各样的形态和拓扑学的宏观形状。系统地了解膜形状与成分、外场、环境条件等的关系具有重要的生物学意义。在这里，我们回顾三角形表面模型，用于宏观模拟膜和相关的蒙特卡罗（DTMC）方法。新的技术来计算表面量词，这将有助于研究额外的面内取向自由度，已被引入。在有序相中仅仅存在一个极性场和一个非极性场就可以使膜的基态构象分别变为圆柱体和四面体。
2011-09-22 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 computational study of lateral phase separation in biological membranes
University of Houston（休斯顿大学）
本文比较了保守和非保守相场模型在生物膜横向相分离和粗化中的数值模拟效果，分析了其对几何特征的依赖性及最终平衡状态的收敛性。
2019-01-06 cs.NA math.NA physics.bio-ph
Optical Antenna-based Fluorescence Correlation Spectroscopy to Probe the Nanoscale Dynamics of Biological Membranes
活细胞的质膜在从纳米尺度到中尺度的多个空间尺度上被划分。这种非随机组织对于大量细胞功能至关重要。在纳米尺度上，细胞膜组织成富含胆固醇、鞘脂和某些类型蛋白质的动态纳米组装体。研究这些被称为脂筏的纳米组装体在基础细胞生物学中具有至关重要的意义。然而，这一目标需要同时纳米空间精度和微秒时间分辨率，这是普通显微镜无法达到的。基于金属纳米结构的光学天线有效地增强和限制光到纳米尺寸，突破了光的衍射极限。在这个角度来看，我们讨论了最近的进展相结合的光学天线与荧光相关光谱（FCS），以监测微秒级的动态在纳米尺度的空间尺寸。这些新的发展提供了许多机会，研究脂质和蛋白质的动态模拟和天然生物膜。
2017-12-19 physics.bio-ph physics.optics
Ice Formation in Model Biological Membranes in the Presence of Cryoprotectors
在低温保护剂二甲基亚砜和甘油存在下，用小角X射线散射和广角X射线散射研究了模型生物膜中冰的形成。选择了DPPC、DMPC、DSPC三种磷脂膜作为研究较好的模型生物膜。使用特殊的低温恒温器将样品从14.1C冷却到-55.4C。WAXS只在磷脂/水二元体系和磷脂/低温保护剂/水三元体系中检测到溶剂过量时的结冰现象。在二元磷脂/水系统中的冰形成导致膜重复距离突然减小Δ-d，即所谓的冰诱导的膜间空间脱水。随着低温保护剂浓度的增加，Δ d值减小。冰的形成不影响膜结构（delta-d = 0）的冷冻保护剂摩尔分数高于0.05。
2001-08-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Biological signaling by interfacial sound pulses. A physics approach
生物信号被认为是激活和运输的结合。前者是由局部分子相互作用引发的，后者是分子扩散的结果。然而，通信的其他基本物理原理尚未得到解决。我们最近表明，脂质界面允许声脉冲的激发和传播。在这里，我们证明，这些可逆的扰动可以控制膜嵌入酶的活性，而不需要分子转运。因此，它们允许远距离生物实体（例如受体和酶）之间以声速（在此为膜内1 m/s的量级）快速通信。该机制的报道提供了一个新的物理框架的生物信号。
2016-12-06 physics.bio-ph
Transient Nanoscopic Phase Separation in Biological Lipid Membranes Resolved by Planar Plasmonic Antennas
鞘脂，胆固醇和某些蛋白质的纳米级膜组件，也称为脂筏，在促进广泛的重要细胞功能方面发挥着至关重要的作用。而在活细胞膜脂筏已被假定为具有纳米尺度和高度瞬态，在多组分脂质双层中存在类似类型的动态纳米域已被质疑。在这里，我们进行荧光相关光谱与不同的纳米间隙大小的平面等离子体天线阵列，以评估动态纳米级组织的模拟生物膜。我们的方法利用纳米天线提供的高度增强和受限的激发光以及它们出色的平面性，以微秒时间分辨率研究小至10 nm的膜区域。我们的扩散数据是一致的，在液体有序和液体无序的微观相的多组分脂质双层的瞬态纳米域的共存。这些纳米畴的特征停留时间在30和150 μs之间，尺寸约为10 nm，从扩散数据推断。因此，虽然微尺度相分离发生在模拟膜，纳米级域也共存，这表明这些瞬态组件可能是类似于那些发生在活细胞中，在筏稳定蛋白的情况下，准备是短暂的。重要的是，我们的工作强调了光子纳米天线的高潜力，以询问原生生物膜的纳米级异质性与超时空分辨率。
2017-11-21 physics.bio-ph physics.optics
On the physical basis of biological signaling by interface pulses
目前，生物信号被设想为激活和运动的组合，分别由局部分子相互作用和分子扩散触发。然而，我们在这里建议，其他基本的物理机制可能发挥至少同样重要的作用。我们最近已经表明，脂质界面允许声脉冲的激发和传播。在这里，我们表明，这些可逆的扰动可以控制膜包埋酶的活性，而不需要分子运输。因此，它们可以促进遥远的生物实体之间以声速的快速通信，在这里，声速在膜内为1 m/s的数量级。所描述的机制为生物信号传导提供了一个新的物理框架，这与目前占主导地位的教科书的分子方法有着根本的不同。
2018-05-21 physics.bio-ph
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
Biological and synthetic membranes: What can be learned from a coarse-grained description?
我们讨论的作用，粗粒度的模型在双层膜的结构和热力学的调查中发挥，我们把它们放在替代方法的背景下。因为它们减少了自由度，并采用简单和软的有效势，粗粒度的模型可以提供相当直接的洞察集体现象在膜上的大的时间和长度尺度。我们提出了一个总结，在这个快速发展的领域的最新进展，并特别注意模型的开发和计算技术。应用粗粒度模型的膜拓扑结构的变化与膜融合利用模拟和自洽场论的研究。
2006-09-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Protein driven lipid domain nucleation in biological membranes
脂筏是细胞膜上的异质动态脂质结构域，参与多种生物过程，如蛋白质和脂质特异性转运和信号传导。我们对脂筏形成的理解仍然是有限的，这是由于这些结构域{ \it in vivo}的瞬时和难以捉摸的性质，与在人工膜中观察到的稳定的相分离结构域相反。受实验结果的启发，突出了跨膜蛋白的脂筏的相关性，我们研究了粗粒度的分子动力学和伊辛模型模拟脂质结构域成核。我们发现，跨膜蛋白的存在下，可以触发脂质结构域成核在一个平坦的膜，否则混合脂质相。此外，我们研究的脂质结构域中的蛋白质的扩散的作用表明，其流动性受到阻碍的存在下的筏。因此，我们的粗粒度分子动力学和伊辛模型模拟的结果一致地支持跨膜蛋白在脂质结构域的形成和稳定性中发挥的重要作用。
2020-02-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
The mechanics and thermodynamics of tubule formation in biological membranes
膜微管化是一个普遍存在的过程，发生在质膜和细胞内细胞器的膜上。已知这些微管事件是由施加在膜上的力介导的，所述力是由于马达蛋白、细胞骨架的聚合或由于结合到膜上的膜蛋白之间的相互作用而引起的。管形成的大量实验观测已得到相关膜力学的数学建模的充分支持，并提供了深入了解膜管的力-位移关系。最近的进展，在定量生物物理测量的膜蛋白质相互作用和小管形成有必要在建模，将占多个方面的相互作用，同时发生的需要。在这里，我们提出了一个全面的审查小管形成的实验观察，并提供从连续建模框架的背景。最后，我们探讨了在这一领域的未来研究的范围，重点是迭代建模和实验测量，这将使我们能够扩大我们的细胞中的tuberculosis过程的机械理解。
2020-12-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Collective Molecular Dynamics in Proteins and Membranes
对生物膜，特别是膜包埋蛋白的动力学和功能的理解是现代生物学和生物物理学中最基本的问题和挑战之一。特别是膜的组成和性质以及周围水合水的结构和动力学对蛋白质功能的影响是即将到来的热门话题，这可以通过现代实验和计算技术来解决。相关的分子运动可能对理解例如运输过程和弹性性质起着至关重要的作用，并且可能与蛋白质功能有关。在实验上，这涉及确定不同分子组分的色散关系，即，长度尺度依赖于激发频率和弛豫速率。只有很少的实验技术能够在纳米尺度上获得生物材料的动力学性质，并解决脂质分子、水合水分子和蛋白质的动力学以及它们之间的相互作用。在这种情况下，非弹性中子散射被证明是一个非常强大的工具，研究生物分子材料的动力学和相互作用的相关纳秒时间尺度和纳米长度尺度。我们回顾和讨论非弹性中子散射实验研究膜弹性和膜包埋蛋白质的蛋白质-蛋白质相互作用。
2008-09-30 physics.bio-ph
Hydrodynamic collective effects of active proteins in biological membranes
已知形成生物膜的脂质双层在亚微米尺度上表现为粘性2D流体;通常它们含有大量活性蛋白质内含物。最近，它已被显示[Proc.Nat.Acad. Sci. USA 112，E3639（2015）]，这类活性蛋白质应诱导非热波动脂质流动，导致生物膜中被动内含物的扩散增强和趋化性样漂移。在这里，这样的效果进行了详细的分析和数值研究。重点讨论了蛋白质在脂筏中的聚集情况。我们表明，被动粒子往往成为吸引主动筏，并积累在他们里面。
2016-08-24 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Dynamics of Force Dipoles in Curved Biological Membranes
本研究构建模型探索弯曲生物膜中力偶极子的流体动力学，发现曲率诱导负指数缺陷，偶极子对沿测地线运动，并在强限制下聚集，但极高曲率破坏聚集。
2025-06-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Spatiotemporal dynamics of ionic reorganization near biological membrane interfaces
本研究通过理论和模拟揭示跨膜局域化离子泵产生长程电场，其传播速度远超扩散，对生物信号传导具有重要意义。
2024-07-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Fluids as transducers of gravity in biological systems
一个定性的模型，表明重力信息被转导到生物系统主要是通过其对空间组织的膜和细胞质流的影响。膜结合的细胞骨架蛋白和磷脂流，正在经历强制对流和剪切驱动的流动之间的连续低亲和力相互作用被证明将此信息转换成空间蛋白质模式，因此细胞形状。这里应用于植物细胞，反馈机制不仅能够建立严格的纳米尺度的平行存在于细胞膜的内部和外部上运行的蛋白质之间，但也预测其brachance和角度的纤维realignance观察热带反应期间。
2004-11-30 physics.bio-ph q-bio.CB
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
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
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
Vortex Flows and Streamline Topology in Curved Biological Membranes
当考虑生物膜中的流动时，它们通常被视为平坦的，尽管它们通常是弯曲的表面，甚至非常弯曲，如内质网的情况。在这里，我们研究的拓扑效应的曲率流动的膜。针对多点涡缺陷的系统，我们可以用几何哈密顿量来描述缺陷的粘性动力学。与平面情况相反，流动产生正折射率的附加缺陷。对于两个涡的简单情况，我们分析预测这些驻点的位置。在低曲率极限下，动力学类似于理想流体中的旋涡，但在高曲率下发生相当大的偏差。几何公式使我们能够构建的时空演变的流线拓扑结构的流体动力学之间的相互作用的旋涡。流线揭示了新的动力学分叉导致自发缺陷对创建和融合。此外，我们发现，膜曲率介导的缺陷结合，并赋予全球旋转的多涡系统，与个别涡仍然相互作用的本地。
2021-05-26 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A Sucrose Solution Application to the Study of Model Biological Membranes
采用小角X射线和中子散射、时间分辨X射线小角和广角衍射结合差示扫描量热法研究了在0 ~ 60%蔗糖缓冲液中的单层和多层二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱（DMPC）囊泡。蔗糖缓冲液降低囊泡的大小和多分散性，并增加了磷脂膜和本体溶剂之间的X-射线对比度充分。蔗糖对膜厚度或烃链的相互堆积没有影响。蔗糖浓度在30%-40%范围内为磷脂囊泡的X射线小角实验创造了最佳实验条件。
2001-10-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Melting transitions in biomembranes
我们研究了生物膜在其天然状态下的熔融转变，包括其膜蛋白。这些膜来源于\textit{E. coli}、\textit{B. subtilis}、肺表面活性剂和来自几种哺乳动物脊髓的神经组织。对于一些制剂，我们研究了压力，pH值和离子强度依赖的过渡。对于猪脊柱，我们比较了天然膜与提取的脂质的过渡。所有制备物均显示出低于生理或生长温度10-20度的熔融转变，与来源的生物体和相应的细胞类型无关。\textit{E. coli}膜中的转变位置取决于生长温度。我们讨论了这些发现的背景下的膜波动的热力学理论，导致很大程度上改变了弹性常数，波动寿命和膜渗透性与过渡的增加。我们还讨论了如何区分蛋白质展开转换的脂质转换。由于略低于生理温度的转变的特征即使在生长条件改变时也是保守的，因此我们得出结论，这些转变可能对细胞的生存和功能具有重要的生物学意义。
2019-04-02 physics.bio-ph
Local Enhancement of lipid membrane permeability induced by irradiated gold nanoparticles
光热疗法基于生物环境中等离子体纳米颗粒的光学激发。照射对生物介质的影响主要取决于纳米颗粒界面处的传热过程、组织达到的温度以及温度梯度的空间范围。不幸的是，温度及其生物效应很难在分子尺度上进行实验研究。在这里，我们使用非平衡分子动力学模拟来处理这个问题。我们专注于光热应用的基础上照射的金纳米粒子的单一，短时间的激光脉冲。纳米颗粒稳定地结合到细胞膜上，将辐射转化为热量，诱导膜渗透性的瞬时变化。我们做了一个定量预测的纳米粒子周围的温度梯度照射后，由典型的实验激光能量密度。水的渗透性是局部增强的NP周围，在一个环形区域，仅延伸几纳米远的纳米粒子界面。我们相关的局部增强渗透性在NP-脂质界面的膜的温度不均匀性和随之而来的可用性的自由体积口袋内的膜芯。
2017-11-20 physics.bio-ph physics.comp-ph
Heterogeneous biological membranes regulate protein partitioning via fluctuating diffusivity
本文利用朗之万动力学与相场方法模拟异质生物膜，揭示了蛋白质在有序/无序域中的扩散率涨落及亚扩散机制，并定量证明域间扩散率差异、域偏好和分子浓度共同决定蛋白质分配。
2023-08-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Thickness effects in the electromechanical stability of charged biological membranes
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
研究电场如何破坏生物膜的稳定性，提出考虑有限厚度、表面电荷和本体电液动力学的统一理论，揭示厚度效应在表面张力和弯曲刚度中的重要作用。
2026-03-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Directional interactions and cooperativity between mechanosensitive membrane proteins
虽然现代结构生物学为我们提供了丰富多样的膜蛋白图片，膜蛋白的生物学功能往往是由周围的脂质双层的机械性能的影响。在这里，我们探索膜蛋白的形状和膜蛋白的弹性相互作用引起的膜蛋白的合作功能之间的关系。对于机械敏感离子通道的实验模型系统，我们发现，弹性相互作用的符号和强度取决于蛋白质的形状，产生不同的蛋白质取向不同的合作门控曲线。我们的方法预测了定向弹性相互作用如何影响拥挤膜中蛋白质的分子结构，组织和生物功能。
2013-05-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Electrochemical response of biological membranes to localized currents and external electric fields
本文通过匹配渐近展开分析脂质膜-电解质系统中离子通道电流与外部电场耦合的多尺度电化学响应，推导出跨膜电位的闭式表达式，并用等效电路描述长时间行为，揭示了屏蔽与受限效应在生物系统中的影响。
2025-08-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Capacitive response of biological membranes
本文提出最小模型分析阻塞电极阶跃电压下生物膜的电容响应，通过微扰分析揭示了由膜介电特性主导的快速电容弛豫与体相盐扩散驱动的长时非线性弛豫机制。
2025-03-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Parallel computing and molecular dynamics of biological membranes
在这次演讲中，我讨论了一般问题的可移植性分子动力学代码的扩散系统的并行计算机的APE家庭。目前可用的APE平台的固有单精度算法似乎不会影响模拟的数值精度，而从CPU到单个节点的整数寻址的缺乏对可能的编程策略提出了强烈的约束。用“收缩”法可以非常满意地模拟液体。对于更复杂系统，如我们最终感兴趣的生物系统，“区域分解”方法最适合于击败分子间计算时间与系统基本成分数量的二次增长。使用这种策略广泛的模拟脂质双层的前景进行了简要的回顾。
1997-09-17 cond-mat.soft hep-lat physics.bio-ph
The excitable fluid mosaic
本文指出生物膜存在低于生理温度的熔融转变，可通过张力、pH等变量调控，使膜整体可激发，产生神经脉冲与离子通道样孔道，超越流体镶嵌模型原图景。
2022-11-23 physics.bio-ph
Biohybrid membrane formation by directed insertion of Aquaporin into a solid-state nanopore
分子传感和化学检测方面的技术挑战使得对具有高灵敏度和特异性的转化材料的需求日益增加。生物杂化纳米孔由于能够理想地将固态纳米孔的耐久性与生物纳米孔的精确结构相结合而吸引了越来越多的兴趣。必须特别注意控制一旦与固态纳米孔接触，生物纳米孔如何适应其周围环境。两个主要挑战是在动态条件下精确控制这种适应性，并提供可用于工程应用的预设计功能。在这里，我们报告了一类独特的生物混合活性膜层的计算设计，该生物混合活性膜层是由水通道蛋白结合的脂质壳直接插入二氧化硅纳米孔中而构建的。首先，我们详细描述了将生物膜插入固态纳米孔中的机制。然后，我们分析了系统的结构稳定性，并证明其水渗透性是在生物环境中测量的。最后，我们讨论了如何实现的技术可以适用于环境和生物医学应用，如水脱盐和药物发现，其中必须有效地解决小分子的靶向和受控渗透。
2022-04-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Protein-induced membrane curvature changes membrane tension
蛋白质吸附到膜上可以改变局部膜曲率。这种现象已经在生物过程中观察到，例如内吞作用、微管和囊泡形成。然而，目前尚不清楚膜的局部表面性质，如膜张力，如何响应蛋白质吸附而改变。在本文中，我们证明了脂膜的经典弹性模型无法解释由于局部区域蛋白质吸附而导致的形状和膜张力的同时变化，并且需要一个粘弹性公式来充分描述该系统。因此，我们开发了一个粘弹性模型的非均匀膜的Helfrich型。使用新的粘弹性模型，我们发现，脂质流动，以适应蛋白质吸附过程中膜曲率的变化。我们发现，在蛋白质吸附过程结束时，系统维持一个残余的局部张力，以平衡实际平均曲率和施加的自发曲率之间的差异。膜张力的这种变化可以在蛋白质与膜相互作用的许多生物现象中产生功能性影响。
2014-01-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Pure FENE Bond Potential for Soft Matter and Biological Simulations: Theory, HOOMD-blue Implementation, and Applications to Polymer, Colloidal, and Membrane Systems
SASTRA University（萨斯特拉大学）
该研究在HOOMD-blue中实现了独立的纯FENE键势，将键可伸长性与非键合相互作用解耦，可与多种对相互作用组合，在聚合物、胶体、膜模拟中实现对键力学与结构组织的独立控制。
2026-09-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Probing the coverage of nanoparticles by biomimetic membranes through nanoplasmonics
尽管无机纳米颗粒（NPs）在生物医学方面很有前途，但其临床转化受到生物相容性和生物液体稳定性低的限制。一个常见的策略，以规避这一缺点包括在伪装的活性无机核心与脂质双层涂层，让人想起细胞膜的结构，重新定义的化学和生物特性的纳米粒子。虽然最近的报告介绍了纳米颗粒的膜涂层程序，但还没有一种可靠且可获得的方法来量化双层覆盖的完整性。为了填补这一空白，我们制备了SiO2纳米粒子（SiO2NPs）与不同的膜覆盖度，并监测其与金纳米粒子的相互作用相结合的显微镜，散射和光学技术。SiO2纳米颗粒上的膜涂层诱导金纳米颗粒的自发聚集，其程度取决于涂层的完整性。值得注意的是，我们发现了膜覆盖率和AuNPs等离子体共振的光谱描述符之间的线性相关性，跨越了广泛的涂层产率。这些结果提供了一种快速且具有成本效益的测定方法来监测纳米颗粒与生物环境的相容性，这对于实验室测试和规模扩大至关重要。此外，我们介绍了一个强大的和可扩展的方法来制备SiO2NPsAuNPs的混合物通过自发自组装，高保真的结构控制介导的脂质双层。
2023-03-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
pH Sensing by Lipids in Membranes: The Fundamentals of pH-driven Migration, Polarization and Deformations of Lipid Bilayer Assemblies
大多数生物分子含有调节其结构和相互作用的酸碱基团。结果是pH梯度、局部异质性和动态变化被细胞和生物体用来驱动或调节特定的生物功能，包括能量代谢、囊泡运输、迁移和发育中组织的空间模式。虽然pH值在蛋白质功能中的直接或调节作用已得到充分证明，但氢离子和氢氧根离子在调节脂质组装体（如双层膜）性质中的作用才刚刚开始被理解。在这里，我们回顾的方法，使用人工脂质囊泡，已有助于提供一个理解的pH梯度和局部变化对膜矢量运动过程的影响：迁移，膜曲率的影响，促进全球或局部变形，拥挤产生的分离极化过程。在pH值引起的局部变形的情况下，一个广泛的理论框架，并应用到一个特定的生物问题，即线粒体嵴的结构和稳定性，进行了描述。
2018-03-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Reaction-Diffusion Waves Coupled with Membrane Curvature
已知蛋白质的反应扩散波涉及基本的细胞功能，例如细胞迁移、细胞分裂和囊泡运输。在这些现象中的一些现象中，膜上斑图形成是通过膜变形和反应扩散系统之间的耦合通过弯曲生物膜的曲率诱导蛋白来诱导的。虽然膜的形状和曲率诱导蛋白质的动力学在这些系统中相互影响，但这种机械化学反馈回路对波的影响尚未详细研究。在这项研究中，反应扩散波与膜变形相结合的动态三角形膜模型与扩展到包括膜曲率的影响的musselator模型的模拟研究。结果表明，由于机械力化学效应，传播波型转变为非传播波型和螺旋波型。此外，波速与局部膜曲率正相关或负相关，取决于自发曲率和弯曲刚度。此外，自振荡的囊泡形状的发生，与曲率诱导蛋白质的反应扩散波。这与具有重构Min系统的脂质体的实验观察一致，其在大肠杆菌的细胞分裂中起关键作用。这项研究的结果证明了机械化学耦合在生物现象中的重要性。
2021-07-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
A transient biological fouling model for constant flux microfiltration
微滤技术是一种广泛应用于淡水生产和水处理的工程策略。在许多应用中的主要问题是生物污染层的形成，导致在膜操作期间增加的水力阻力和通量下降。构成这种生物层的细菌的生长暗示了多物种生物膜的形成以及反应器管理和清洁程序的操作成本的随之增加。为了预测生物膜的生长和演变过程中的过滤过程中，一维连续模型已被开发，通过考虑一个自由边值问题描述生物膜动力学和EPS生产在不同的操作阶段的微滤系统。微生物种类和EPS的生长受双曲线偏微分方程系统控制。基质动力学建模通过抛物线方程占过滤过程中产生的扩散和对流通量。自由边界的演化取决于微生物的生长和分离过程。所提出的模型已经解决了数值模拟生物相关条件下的生物膜的演变，并调查膜的水力行为。该模型已被校准和实验室规模的实验数据验证。在所有的情况下，数值结果准确地预测膜压降发生在微滤系统。
2021-04-08 physics.bio-ph q-bio.QM
A mechanical model reveals that non-axisymmetric buckling lowers the energy barrier associated with membrane neck constriction
膜颈的形成对于断裂是必不可少的，正如最近对小管的实验所证明的，其可以是位置依赖性的。可以使颈部收缩的生物机制的多样性，例如发动蛋白、肌动蛋白、ESCRT和BAR蛋白，以及它们操作的力和偏转的范围，表明收缩过程在功能上是机械的，并且对生物环境的变化是稳健的。在这项研究中，我们使用了一个机械模型的脂双层系统地调查的影响，位置，对称性的限制，和螺旋力膜颈收缩。从我们的模型的模拟表明，与收缩的膜颈的能量障碍是位置依赖性的。重要的是，如果对称性的限制放宽，那么收缩的能量势垒显着降低，膜在较低的强迫参数值。我们的模拟还表明，由于螺旋蛋白质的收缩，进一步降低了颈部形成的能量障碍相比，圆柱形蛋白质。这些研究证实，尽管细胞中颈部形成的分子机制不同，但收缩的机制自然会导致对称性的丧失，从而降低收缩的能量屏障。
2019-12-10 physics.bio-ph q-bio.SC
Interaction between cell membranes and protein inclusions in the large-deformation regime
Institut Curie, PSL Research University（居里研究所，PSL研究大学）；CNRS UMR168（法国国家科学研究中心UMR168）；Polytechnic University of Turin（都灵理工大学）
采用有限元方法研究大变形下脂膜与蛋白质内含物的相互作用，发现膜对PI的力随垂直位移非单调变化，且膜介导势能呈次幂律衰减，证实了锥形PI取向与电荷的类比。
2026-06-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
A simulation method for the wetting dynamics of liquid droplets on deformable membranes
本文提出了一种结合相场法和ALE方法的数值模拟方法，用于模拟液滴通过润湿作用与可变形膜相互作用的连续体动力学，该模型在热力学上一致，并通过二维和三维轴对称场景验证了其有效性。
2024-02-20 cond-mat.soft cs.CE physics.bio-ph
Calibrating evanescent-wave penetration depths for biological TIRF microscopy
大约有一半的细胞蛋白质位于或靠近质膜。在这个有限的空间中，细胞感知其环境，向其邻居发出信号，并通过胞外和胞吞机制交换货物。配体与受体结合，离子流过通道孔，递质和代谢物逆浓度梯度转运。受体、离子通道、泵和转运蛋白是这些生物过程的分子底物，它们构成了药物发现的重要靶点。全内反射荧光显微镜抑制细胞深层的背景，并提供对比度，用于选择性地成像活细胞基底膜附近的动态过程。全内反射荧光的光学切片是基于在玻璃-细胞界面处产生的倏逝波的激发限制。很难知道激发光实际穿透样品的深度，这使得全内反射荧光数据的定量解释成为问题。然而，许多应用，如超分辨率显微镜，共定位，光漂白后的荧光恢复，光漂白后的近膜荧光恢复，uncaging或光激活开关，以及单粒子跟踪需要的定量解释倏逝波激发图像。在这里，我们回顾了现有的技术表征倏逝场，我们提供了一个路线图比较全内反射荧光数据的图像，实验和实验室。
2019-01-04 physics.bio-ph q-bio.QM
Protein Drift-Diffusion in Membranes with Non-equilibrium Fluctuations arising from Gradients in Concentration or Temperature
本文提出基于非平衡统计力学的随机混合连续-离散模拟方法，追踪单个蛋白质在浓度和温度梯度下的漂移-扩散、热交换及涨落，揭示膜内蛋白质定位与热梯度感知机制，并可推广至其他生物系统和软材料。
2025-08-26 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Thermodynamics of small systems by nanocalorimetry: from physical to biological nano-objects
基于膜的纳米量热计已经被开发用于交流量热实验。它允许对从固态物理到聚合物和蛋白质等复杂系统的热容量进行高灵敏度测量。在这篇文章中，我们回顾了交流量热法在测量非常小的系统方面所取得的进展。首先，在低温下，使用硅膜的交流量热法允许测量具有低至纳米尺度的几何形状的超导样品。新的相变已被发现，在这些纳米系统示出的热容跳跃与所施加的磁场。其次，将提出一种基于超薄聚合物膜的传感器。它致力于中温（20 K到300 K）纳米磁性系统的热测量。第三，三个特定的聚酰亚胺薄膜为基础的传感器已被设计用于室温测量。其中一个用于聚合物的相变检测，第二个用于蛋白质折叠/展开研究，第三个将用于活细胞中热释放的研究。将强调的可能性，测量系统的平衡。
2009-08-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Electrical properties of polar membranes
生物膜是电容器，可以通过在膜上施加电场来充电。电容器上的电荷在膜上施加力，导致电致伸缩，即膜变薄。由于力是电压的平方，负电压和正电压对对称膜的物理性质具有相同的影响。然而，对于具有导致永久电极化的强度的不对称性的膜，情况并非如此。大小相同的正电压和负电压导致不同的性质。这种不对称性可能源于膜的两个单层上不同的脂质组成，或源于膜曲率。后一种效应被称为“挠曲电性”。作为永久极化的结果，膜电容器在不同于零的电压下放电。这导致了有趣的电现象，例如膜渗透性的向外或向内整流。在这里，我们介绍了一个广义的理论框架，对待电容，极化，挠曲和压电在同一语言。
2014-11-25 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
Thermodynamic competition between membrane protein oligomeric states
蛋白质单体自组装成不同的膜蛋白寡聚体提供了膜蛋白分子结构多样性和由此产生的生物学功能的一般机制。我们开发了一个通用的物理框架，描述不同的寡聚状态的膜蛋白之间的热力学竞争。使用大电导的机械敏感通道作为模型系统，我们展示了膜蛋白的主要寡聚状态是如何从细胞膜中蛋白质浓度的相互作用、蛋白质诱导的脂质双层变形和直接单体-单体相互作用中出现的。我们的研究结果表明，通过控制膜蛋白寡聚状态的蛋白质功能的调节的一般物理机制和原则。
2016-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Nonequilibrium Membrane Dynamics Induced by Active Protein Interactions and Chemical Reactions: A Review
本综述聚焦非平衡条件下生物膜的时空模式与涨落，结合理论与模拟，阐述活性蛋白力、化学反应调控的蛋白结合过程对膜行为的影响及相关建模方法，还提及两亲分子结构的作用。
2024-07-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Membrane bound protein diffusion viewed by fluorescence recovery after bleaching experiments : models analysis
生物膜中的扩散过程对于理解大分子的组织和几种分子的功能是有意义的。光漂白后荧光恢复（FRAP）是一种利用经典的布朗扩散模型分析光漂白过程的方法。在这项工作的第一部分中，荧光恢复作为时间的函数的解析表达式已经建立了异常扩散由于长的等待时间。然后，实验荧光回收率记录在活细胞上的膜结合蛋白质进行了分析，使用三种不同的模型：正常的布朗扩散，布朗扩散与不动的部分和异常扩散由于长的等待时间。
2002-10-31 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Membrane morphologies induced by arc-shaped scaffolds are determined by arc angle and coverage
生物膜如小管和膜堆的复杂形状是由蛋白质诱导的。在这篇文章中，我们系统地研究了弧形支架，如蛋白质和蛋白质复合物诱导的膜形状与粗粒度建模和模拟。我们发现，弧形支架诱导膜小管在膜覆盖率大于约40%的阈值，无论其弧角。相比之下，在低于此turmos阈值的中间覆盖率下的膜形态强烈依赖于弧角。与N-BAR结构域类似的具有约60度的弧角的支架在低于tuberculosis阈值的覆盖率下不改变膜形状，而具有大于约120度的弧角的支架在中间覆盖率下诱导双膜堆叠。支架稳定了连接膜堆叠的弯曲的膜边缘，如对reticulon蛋白质复合物所建议的。我们的研究结果提供了一般的见解膜成形的弧形支架的决定因素。
2019-02-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Transport Dynamics of Water Molecules Confined between Lipid Membranes
针对脂质膜间受限水分子的非高斯位移输运特性，提出新输运方程解释分子动力学模拟结果，揭示其动力学源于纵向运动引发的横向扩散系数涨落，并发现不受膜间距影响的界面水区域。
2024-04-18 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Physical limits to membrane curvature sensing by a single protein
本研究通过连续介质模型和模拟算法，推导了单个蛋白质感知膜曲率的物理极限，发现实验感知效能接近理论极限，且曲率涨落方差决定结合速率对曲率的敏感性。
2022-10-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Mechanical factors affecting the mobility of membrane proteins
膜蛋白的迁移性控制着许多生物学功能。Saffman和Delbrück模型在膜蛋白扩散中的应用并不能解释所有的实验测量。这些差异引发了大量关于力学因素在流动性中作用的研究。在对Saffman和Delbrück模型和一些关键实验进行简短回顾之后，我们将探索各种方法来整合不同力学因素的影响。我们的方法侧重于蛋白质与膜的耦合，这是建模中的核心元素。我们提出了一个一般的，极化子样的模型，其最近的应用程序的曲率敏感蛋白质的流动性，其各种扩展到其他耦合，可能是相关的在未来的实验。
2018-10-23 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
