Kinetic discrimination of a polymerase in the presence of obstacles
生物系统中复制的高保真度的原因之一是动力学辨别。在这种机构中，较大的耗散和复制速度导致改进的复制精度。我们考虑一个模型的聚合酶，同时复制一个单链RNA和打开一个单双链连接作为一个障碍。障碍物的存在减慢了电机，导致其保真度的变化，这可以用来获得有关电机和连接动态的信息。我们发现，电机的保真度并不依赖于细节的电机连接处的相互作用，如相互作用是被动的还是主动的。复制保真度的分析仍然可以用作研究结动力学的工具。
2017-04-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Transcriptional bursts: a unified model of machines and mechanisms
{ \it Transcription}是RNA分子通过分子机器聚合的过程，称为RNA聚合酶（RNAP），使用相应的DNA作为模板。最近用单细胞进行的{ \it体内}实验已经确定转录以“爆发”或“脉冲”发生。在这封信中，我们提出了一个模型，捕捉不仅是机械化学的个人RNAP和它们的空间相互作用，但也开关的基因之间的ON和OFF状态。该模型解释了转录爆发的统计特性。它还显示了如何通过控制RNAP机器的操作的适当步骤来调整这些突发的分布的定量特征。
2008-11-28 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.GN
Stochasticity and traffic jams in the transcription of ribosomal RNA: Intriguing role of termination and antitermination
在快速生长的细菌中，核糖体RNA（rRNA）需要以非常高的速率转录以维持对核糖体合成的高细胞需求。这导致RNA聚合酶（RNAP）的密集运输。我们开发了一个随机模型，整合了单分子和定量体内研究的结果E。coli中，以评估暂停、终止和反终止对rRNA转录的定量影响。我们的计算表明，在密集的RNAP交通，自发暂停RNAP可能会导致严重的“交通堵塞”，表现在广泛的分布间RNAP距离，可以是一个主要因素限制转录，因此增长。我们的研究结果表明，抑制这些暂停的核糖体抗终止复合物是必不可少的快速增长。此外，即使是几个非antiterminated RNAP的未抑制暂停已经可以大大减少密集流量下的转录。然而，终止因子Rho可以去除非抗终止的RNAP并恢复快速转录。因此，结果表明Rho增强而不是减弱rRNA转录的有趣作用。
2008-11-19 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Mixed molecular motor traffic on nucleic acid tracks: models of transcriptional interference and regulation of gene expression
RNA聚合酶（RNAP）是一种分子机器，它使用单链DNA（ssDNA）作为相应的模板聚合RNA分子（线性杂聚物）; RNA的单体序列由ssDNA模板上的单体序列决定。当聚合RNA时，RNAP在ssDNA模板上以特定的方向一步一步地行走。因此，RNAP也可以被认为是一个分子马达，它在DNA上行走的开始和停止位点标志着它转录成RNA的遗传信息的两端。两个重叠基因的转录干扰被认为调节它们的表达水平，即，通过一种对另一种的抑制作用，相应RNA合成的总速率。在这里，我们模拟这个过程作为一个混合的交通两组RNAP电机的特点是由两个不同的对开始和停止网站。每个基团聚合相同的RNA拷贝，而两个基团聚合的RNA是不同的。这些模型，这也可以被视为两个干扰完全不对称的简单的排斥过程，占所有模式的转录干扰，尽管他们的极端简单。平均场论和计算机模拟的组合，这些模型证明了开关样调节的两个干扰基因在两组RNAP电机的同向和反向交通的物理起源。
2015-02-25 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Dynamics of Molecular Motors and Polymer Translocation with Sequence Heterogeneity
详细研究了序列异质性对多核苷酸跨孔易位和对解旋酶、DNA聚合酶/核酸外切酶和RNA聚合酶等分子马达的简单模型的影响。RNA或DNA的孔移位由于膜两侧的不同化学环境而偏向，而分子马达运动通过与化学能的耦合而偏向。外部施加的力可以对抗这些偏置。对于这两个系统，我们完全解决了晶格模型与无障碍。该模型明确纳入耦合到不同的化学环境的聚合物易位和耦合到化学能（以及核苷酸配对能量）的分子马达。使用精确解和一般的参数，我们表明，非均匀性导致的异常动力学。最值得注意的是，在失速力（或DNA聚合酶/核酸外切酶系统的失速张力）周围的力的范围内，位移随着t^μ而亚线性地增长，其中μ<1。在此范围内，可以观察到这种行为的实验估计几个系统，并认为是检测适当的力量和缓冲区。类似的序列异质性效应可能出现在病毒DNA的包装中。
2004-06-09 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
First Passage Time in Computation by Tape-Copying Turing Machines: Slippage of Nascent Tape
DNA模板序列中化学编码的遗传信息的转录是由称为RNA聚合酶（RNAP）的分子机器进行的。新生RNA相对于DNA模板链的向后或向前滑动产生分别比相应模板长或短的转录物。我们将RNAP建模为“磁带复制图灵机”（TCTM），其中DNA模板是输入磁带，而新生RNA链是输出磁带。尽管TCTM总是向前推进，但该过程被假设为是随机的，即每单位时间有一个发生概率。TCTM在输入带上每次成功向前步进所需的时间是一个随机变量，在此期间，输出带由于向后或向前滑动而遭受$n$单位的延长或缩短;我们通过使用计算{ \it首次通过时间}分布的形式来报告此时间的一些统计特性。结果可能会发现应用程序的实验数据分析的“编程”转录错误所造成的转录滑移，这是一种模式的“重新编码”的遗传信息。
2017-04-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Distribution of dwell times of a ribosome: effects of infidelity, kinetic proofreading and ribosome crowding
核糖体是聚合蛋白质的分子机器，其中氨基酸残基（蛋白质的单体）的序列由充当模板的信使RNA（mRNA）上的密码子（核苷酸三联体）的序列决定。核糖体是一个分子马达，它利用模板mRNA链作为轨道。因此，在每一步中，核糖体向前移动一个密码子，同时将蛋白质延长一个氨基酸。我们提出了一个理论模型，捕捉了核糖体的机械化学循环中的大部分主要步骤。核糖体的随机运动由暂停和移位的交替序列组成;暂停和随后的移位的持续时间的总和是核糖体在相应密码子处的停留时间。在我们的模型中，我们推导出核糖体的停留时间分布的解析表达式。无论实验数据是可用的，我们的理论预测与这些结果一致。我们建议适当的实验来测试我们的模型的新预测，特别是，核糖体的质量控制机制的影响和拥挤的mRNA轨道。
2011-01-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Fluctuations in protein synthesis from a single RNA template: stochastic kinetics of ribosomes
蛋白质是由核糖体这种环状机器聚合而成的，核糖体利用其信使RNA（mRNA）轨道作为相应的模板，这一过程称为翻译。我们深入细致地探讨了翻译的随机性。我们计算了与翻译过程相关的各种分布;其中之一，即停留时间分布，已经在最近的单核糖体实验中测量（Wen等人，Nature { \bf 452}，598（2008））。我们的理论预测的这种分布的形式是一致的，从实验数据提取。对于我们的定量计算，我们使用一个模型，捕获每个单独的核糖体的机械化学以及它们的空间相互作用。我们还证明了真正的基因的序列不均匀性的波动和噪音翻译的影响。原则上，我们的新预测可以通过进行{ \it体外}实验来检验。
2008-05-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.GN
Controlling particle currents with evaporation and resetting from an interval
我们调查布朗扩散的粒子在一个空间维度，并在有限的区域内，粒子可以蒸发或重置到一个给定的位置。对于开边界条件，我们强调了布朗但非高斯扩散的出现：在很长一段时间内，粒子分布是非高斯的，但其方差随时间线性增长。此外，我们表明，在这样的系统中的粒子的有效扩散系数是有界的从下面的$(1-2/π)$倍的裸扩散系数。对于周期性边界条件，即，对于具有重置的环上的扩散，我们证明了在定态和非定态两种情况下，对于重置概率流的不同选择，空间粒子分布的“规范不变性”。最后，我们将我们的研究结果应用到一个随机生物物理模型的RNA聚合酶的运动在转录暂停，推导分析切割的RNA转录物的长度分布和RNA切割的效率在回溯恢复。
2020-11-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
First-passage processes on a filamentous track in a dense traffic: optimizing diffusive search for a target in crowding conditions
几个重要的生物过程是由蛋白质与DNA上的特定位点结合而启动的。转录因子（transcription factor，TF）是一种蛋白质，它在DNA上寻找特异性结合位点的策略已经被研究了几十年。近年来，像DNA结合蛋白这样的障碍物对TF搜索的影响开始受到关注。RNA聚合酶（RNAP）马达在称为转录的基因组过程中沿着DNA片段共同移动。这种RNAP流量必然会影响TF搜索其结合位点对DNA的相同片段的扩散扫描。出于这种现象，在这里，我们开发了一个动力学模型，其中一个“粒子”，代表TF，搜索一维晶格上的特定位置。在同一个晶格上，另一种粒子，每一种都代表一个RNAP，从左到右跳跃，就像完全不对称的简单排他过程（TASEP）一样，禁止一个以上的粒子同时占据任何位置，不管它们的身份如何。虽然TF被允许附着到任何晶格位点或从任何晶格位点分离，但是RNAP可以仅附着到晶格的左边缘处的第一个位点并且仅从晶格的右边缘上的最后一个位点分离。我们将搜索公式化为{ \it首次通过}过程;从定义明确的初始状态开始，到达目标位点{ \it首次通过}所需的时间为搜索时间。通过近似解析计算和蒙特卡罗（MC）计算机模拟，我们计算了平均搜索时间。我们发现，RNAP交通纠正TF的扩散运动的布朗棘轮，和成功搜索的平均时间甚至可以短于所需的RNAP交通的情况下。此外，我们表明，有一个最佳的脱离率，对应于最短的平均搜索时间。
2018-10-16 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Stochastic kinetics of ribosomes: single motor properties and collective behavior
细胞中蛋白质分子的合成是由核糖体完成的。核糖体可以被认为是一个分子马达，它利用输入的化学能在信使RNA（mRNA）轨道上移动，该轨道也用作相应蛋白质聚合的模板。然而，向前运动的特征是移位和停顿的交替序列。使用一个定量模型，它捕获的机械化学循环的一个单独的核糖体，我们推导出一个{ \it精确}的分析表达式，其停留时间的分布在连续的位置上的mRNA轨道。平均停留时间的倒数满足"Michaelis-Menten类“方程，并且与具有无分支机械化学循环的分子马达的平均速度的通式一致。适当地推广这个公式，我们还推导出了核糖体的精确力-速度关系。通常许多核糖体同时在相同的mRNA轨道上移动，而每个核糖体合成相同蛋白质的拷贝。我们扩展了一个单一的核糖体的模型，将空间排斥不同的个人在同一个轨道上。我们绘制了这个模型的相图的核糖体交通在3维空间跨越实验可控参数。我们建议对我们的理论预测进行新的实验检验。
2009-07-12 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Stepping and crowding of molecular motors: statistical kinetics from an exclusion process perspective
马达酶是一种非凡的分子机器，它利用三磷酸核苷水解产生的能量来产生机械运动，通过构成其动力学循环的不同步骤来实现。这些大分子，现在研究与先进的实验技术，以揭示其分子机制和动力学循环的性质，涉及许多生物过程，从生物聚合（如RNA聚合酶和核糖体）到细胞内运输（马达蛋白，如驱动蛋白或动力蛋白）。虽然在理论和实验上对单个电机的动力学进行了很好的研究，但它们的步进周期对集体动力学的影响仍然不清楚。这一方向的进展将提高我们对天然细胞内介质中的运输过程的理解，在天然细胞内介质中，进行性运动酶可能在拥挤的条件下工作。因此，在这项工作中，我们扩展了目前的统计动力学分析，研究集体输运现象的汽车在格子气模型属于排斥过程类。通过数值模拟，我们展示了如何解释和使用在拥挤的条件下从单粒子轨迹计算的随机性。重要的是，我们还表明，时间波动和非泊松行为是内在相关的空间相关性和出现的大，但有限的，集群的共同移动的电机。我们的分析揭示的属性有重要的生物学意义上的集体运输特性的进行性马达酶在拥挤的条件下。
2014-05-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Statistics of Infima and Stopping Times of Entropy Production and Applications to Active Molecular Processes
研究了非平衡稳态熵产生的下确界、停时和通过概率的统计性质，并证明了它们的普适性。我们考虑停时的两个例子：熵产生的首次通过时间和随机过程的等待时间，这是系统第一次到达给定状态的时间。我们的主要结果是：（i）熵产生的全局下确界的分布是指数分布，平均值等于负玻尔兹曼常数;（ii）我们找到了熵产生到达给定值的通过概率的精确表达式;（iii）我们导出了熵产生停时分布的涨落定理。这些结果有有趣的影响，可以讨论在简单的胶体系统和活性分子过程的随机过程。特别是，我们表明，离散的化学转变的分子过程，如，步骤的分子马达的时间和统计，是由熵产生的统计。我们还表明，活性分子过程的极值统计是由熵产生，例如，熵产生的下确界的电机可以与电机的最大偏移的方向上的外力。使用这种关系，我们预测的分布的最大回溯深度的RNA聚合酶，这是从我们的普遍结果熵生产infima。
2016-10-04 cond-mat.stat-mech math.PR
