Modeling capsid self-assembly: Design and analysis
描述了一系列旨在阐明球形病毒衣壳的自组装动力学的模拟。这种鲜为人知的现象是发生在最简单的生物体中的复杂过程的一个迷人的例子。不同的病毒采用相似的结构形式这一事实表明了一个共同的潜在设计，促使人们在探索组装过程时使用简化的低分辨率模型。几个版本的分子动力学的方法进行了说明。涉及不同尺寸的多面体壳，组装途径是不可逆的或可逆的，并且可选地包括明确的溶剂。模型设计，仿真方法和分析技术进行了讨论。分析的重点是生长途径和中间态的性质，这些性质很难通过实验获得。其中的关键意见是，有效的增长收益的高度可逆的阶段级联的手段，虽然有大量的各种可能的部分组件，只有相对较少的强键合配置实际上遇到。
2010-06-22 cond-mat.soft q-bio.BM
Mechanical Properties of Viral Capsids
已知病毒耐受广泛的pH值和盐条件，并承受高达100个大气压的内部压力。在本文中，我们调查的机械性能的病毒衣壳，明确注意到的不均匀性的外壳，这是固有的离散和多面体的性质。我们计算这些衣壳中的应力分布，并分析它们对各向同性内部压力的响应（例如，来自基因组限制和/或渗透活性）。我们比较我们的结果与适当的推广经典（即，连续体）弹性理论。我们还研究了病毒外壳失效的竞争机制，例如，面内裂纹形成与径向破裂。病毒衣壳的特殊稳定性和应力分布的生物学后果也进行了讨论。
2005-10-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
An irreversible growth model for virus capsid assembly
我们模拟了衣壳（病毒的封闭外壳）的自发组装，从许多相同单位的副本，使用完全不可逆的步骤，只有信息本地的增长边缘。我们的模型是制定方面（i）的弹性哈密顿与拉伸和弯曲刚度和自发曲率，和（ii）一组速率常数添加新的单元或债券。一个合奏的高度不规则的衣壳产生，不像众所周知的二十面体对称病毒，但（我们认为）似是而非的逆转录病毒，如艾滋病毒的不规则衣壳建模的一种方式。我们发现，（i）成功的衣壳完成的概率随衣壳大小呈指数衰减;（ii）衣壳大小强烈依赖于自发曲率和弱的弯曲和拉伸弹性刚度的比例的外壳;（iii）高斯曲率（facetedness的测量）的本地化程度在很大程度上取决于弹性刚度的比例。
2006-08-08 cond-mat.soft q-bio.BM
Mechanisms of virus assembly
病毒是纳米级的实体，含有包裹在称为衣壳的蛋白质外壳中的核酸基因组，并且在某些情况下被脂质双层膜包围。本文综述了衣壳在宿主细胞内和体外组装的物理过程。我们描述的热力学和动力学组装成二十面体衣壳壳的蛋白质亚基，以及这些是如何修改的情况下，衣壳组装周围的核酸或脂质双层。我们目前的实验和理论技术，已被用来表征衣壳组装，我们强调病毒组装的方面可能会在不久的将来得到显着的关注。
2014-07-15 cond-mat.soft q-bio.BM
Effects of Rim Fluctuations in Classical Nucleation Theory of Virus Capsids
University of California, Riverside（加州大学河滨分校）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Institut de Physique Théorique, CNRS, CEA, Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学理论物理研究所）；Great Bay University（大湾区大学）
研究通过引入壳体边缘热波动扩展经典成核理论，揭示波动对病毒壳体成核和生长的影响机制。
2026-03-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Structures of Spherical Viral Capsids as Quasicrystalline Tilings
具有二十面体对称性的球形病毒壳被认为是准晶镶嵌。类似于已知的卡斯帕-克卢格准等价理论，所提出的方法也最大限度地减少了蛋白质分子与其在壳中的邻居键合所需的构象的数量，但基于不同的几何原理。假设蛋白质分子中心位于具有相同边的瓦片的顶点处，并且不同瓦片类型的数量是最小的。得到了六种不同衣壳类型中不等价对称蛋白质位置的理想坐标。该方法以统一的方式描述了满足著名的卡斯帕-克鲁格几何模型的结构和与该模型相矛盾的结构。
2015-08-03 cond-mat.soft q-bio.BM
Why large icosahedral viruses need scaffolding proteins: The interplay of Gaussian curvature and disclination interactions
虽然小的单链病毒外壳自发地使它们的基因组发生变性，但许多大型病毒，如疱疹病毒或传染性法氏囊病病毒（IBDV），通常需要由支架蛋白或内核组成的模板。尽管自然界中大型病毒的增殖，但数百或数千个蛋白质组装形成具有二十面体序（IO）的结构的机制是完全未知的。使用连续弹性理论，我们研究了大的病毒壳（衣壳）的生长，并表明，一个非特异性的模板不仅选择半径的衣壳，但导致错误的蛋白质亚基组装成衣壳与通用IO。我们证明，作为一个球冠的增长，有一个深的潜在的位置的向错，后来在组装过程中将成为一个二十面体的顶点。此外，我们引入了一个极小模型，并在非平衡条件下模拟了病毒壳在模板周围的组装，发现连续弹性理论的结果和数值模拟之间的完美匹配。除了解释现有的实验结果，我们提供了一些新的预测。球形晶体中的其他问题的影响也进行了讨论。
2018-09-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
How a Virus Circumvents Energy Barriers to Form Symmetric Shells
以往的自组装实验在一个二十面体的模式植物病毒已经表明，在生理条件下，衣壳蛋白最初结合到基因组，通过一个envelope机制，并形成一个无序状态的核蛋白复合物，这就提出了问题，病毒粒子是如何组装成一个高度有序的结构在宿主细胞。使用小角X射线散射，我们发现，在生理条件下，在衣壳蛋白浓度增加时，发生无序-有序过渡。我们的冷冻透射电子显微镜显示，即使在pH 7.5的封闭的球形壳含有体外转录的病毒RNA，与以前的观察结果形成鲜明对比。我们使用蒙特卡罗模拟来解释这种无序-有序的转变，并发现，随着壳的生长，无序的中间体的结构，其中五聚体的分布不属于二十面体的子群变得非常不利的能量，帽可以很容易地解离和重新组装，克服形成完美的二十面体壳的能量障碍。此外，我们监测的条件下，成核和生长的衣壳的生长是占主导地位的途径，并表明，在两个england和成核和生长途径的无序-有序转变的关键在于弹性能的强度相比，在系统中的其他力量，包括蛋白质-蛋白质相互作用和化学势的自由亚基。我们的发现至少部分解释了为什么具有二十面体有序结构的完美病毒体在不同的条件下形成，包括生理条件。
2020-03-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Switchable Conformation in Protein Subunits: Unveiling Assembly Dynamics of Icosahedral Viruses
本文通过设计新型亚基并建立分子动力学模型，揭示了二十面体病毒衣壳沿基因组从无序片段到完美对称结构的组装路径，并结合小角X射线散射与冷冻电镜实验验证了RNA包装机制。
2024-08-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Extension of the primitive model by hydration shells and its impact on the reversible heat production during the buildup of the electric double layer
最近，实验测量了在氯化钠溶液中双电层（EDL）累积期间的可逆热产生[Janssen等人，物理修订信函119，166002（2017）]并与来自密度泛函理论和分子动力学模拟的理论预测相匹配[Glatzel et al.，J. Chem.Phys.154，064901（2021）]。在后者中，发现离子与电极壁的空间相互作用（导致所谓的Stern层）足以解释实验结果。由于仅检查了受限原始模型中的对称离子尺寸，因此调查导致修改的Stern层的不相等离子尺寸的系统是有益的。在这项工作中，我们探讨了离子不对称性对每个电极的可逆产热的影响。在这种情况下，我们进一步研究了原始模型的扩展，其中离子的水化壳可以逃避在电极的壁附近。我们发现一个强烈的依赖系统参数，如颗粒的大小和总体积所采取的颗粒。在这里，我们甚至发现了在充电期间一个电极被加热而另一个电极同时被冷却的情况，而总的来说，两个电极一起表现得与已经提到的实验结果非常相似。因此，在实验中也应该分别测量每个电极的热产生。通过这种方式，我们提出的模拟电解质的某些成分的重要性可以在实验上得到证实或排除，最终导致对EDLs物理学的更深入理解。
2022-01-21 cond-mat.soft
Dynamics of Bacteriophage Genome Ejection In Vitro and In Vivo
噬菌体，简称噬菌体，是细菌的病毒。大多数的大肠杆菌含有双链DNA基因组，以约500 mg/ml的密度包装在衣壳中。这种高密度需要正常B型螺旋的大量压缩，导致推测成熟噬菌体病毒体中的DNA处于显著的压力下，并且该压力用于在感染期间排出DNA。围绕这一猜想的大量理论、计算机模拟和体外实验研究揭示了包装DNA的许多方面，尽管这些方面往往是孤立的和/或相互矛盾的。这促使我们提出一个统一的观点，统计物理和热力学的DNA包装在噬菌体衣壳。我们认为，在一个成熟的噬菌体中的DNA是在一个（Meta）稳定的状态，其中静电的自我排斥是平衡的曲率应力，由于限制在衣壳。我们表明，除了与包装的DNA及其抗衡离子的渗透压，有四个不同的压力在衣壳：压力的DNA，静水压力，压力经历的衣壳，和压力与DNA喷射的化学势。值得注意的是，我们分析了包装DNA中的力传递机制，并证明了DNA上的压力对弹射并不重要。我们推导出的方程显示了强大的流体静压差的衣壳壳。我们提出，当一个噬菌体在体外被触发通过与其受体的相互作用而弹出时，水分子进入噬菌体衣壳的（热力学）激励将DNA从衣壳中冲洗出来。在体内，细菌细胞质和培养基中的渗透压之间的差异类似地导致水流将DNA拖出衣壳并进入细菌细胞。
2010-12-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Molecular dynamics simulation of reversibly self-assembling shells in solution using trapezoidal particles
用分子动力学模拟了由60个梯形颗粒组成的多面体壳层的自组装过程。该壳中组分颗粒的空间组织类似于形成T=1病毒衣壳的衣壳蛋白。生长发生在原子溶剂的存在下，并在合适的条件下，实现了完整的壳的高产率。模拟提供了粒子簇的结构和寿命的细节，这些粒子簇沿着生长路径出现为中间状态，以及它们之间的过渡性质。在某些方面，从梯形颗粒的尺寸-60壳的生长类似于从先前研究的三角形颗粒的二十面体壳的生长，可逆键合在避免不正确组装中起主要作用，尽管由于颗粒形状和键合组织而导致细节不同。三角形颗粒簇所表现出的最大键合的强烈偏好对于梯形颗粒也是明显的，但这现在仅限于早期生长，并且随着壳沿着各种途径接近完成而不太明显。
2012-11-25 cond-mat.soft q-bio.BM
A simple and general approach for reversible condensation polymerization with cyclization
我们发展了一个简单的递归方法来处理可逆缩合聚合与环化反应。基于一组最小的平衡方程，质量作用定律，高斯链统计和独立反应的假设，我们推导出精确的解析解系统没有环化，系统只包含最小的循环，或系统，专门形成循环。精确的数值解计算的柔性前体聚合物的均聚的一般情况下。所有的解决方案进行了测试与蒙特卡罗模拟。讨论了良溶剂的一般化，结果表明，这种一般化在低和高聚合物体积分数的限制下与以前的工作一致。我们方法的新方面是它的灵活性，允许对更复杂的情况进行相当简单的概括。这些包括不同种类的可逆线性聚合、非线性聚合、第一壳取代效应、半柔性或用于环化的低分子量截止。
2023-02-09 cond-mat.soft
Molecular dynamics characterization of the free and encapsidated RNA2 of CCMV with the oxRNA model
本文利用 oxRNA2 粗粒化分子动力学模拟和多尺度方法，系统表征了 CCMV RNA2 在自由折叠态与衣壳内构象差异，揭示衣壳内长程基序和假结的形成，并阐明 N 端尾部在衣壳静电建模中的关键作用。
2024-08-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
Designing a braille reader using the snap buckling of bistable magnetic shells
本研究提出一种基于双稳态磁壳屈曲、磁驱动与气动加载的可编程盲文点设计方案，经实验验证模拟有效性并探索设计空间，证实其可满足盲文标准且具备可逆双稳态、快速切换的优势，同时指出了未来制造需解决的问题。
2023-07-20 cond-mat.soft
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
Self-assembly of polyhedral shells: A molecular dynamics study
使用简化模型研究球形病毒中蛋白质壳形成的自组装动力学。这些多面体，超分子结构的自发自组装，其中二十面体对称性是一个显着的特点，是一种现象，其动力学仍然未被探索;通过计算机模拟研究的增长过程提供了访问的机制组装。为了捕获自组装的更普遍的方面，即组件形状影响结构和组装途径的方式，在这项探索性研究中，低分辨率近似用于表示基本蛋白质构建块。涉及不可逆和可逆组装的替代方法进行了讨论，这两个计划的基础上的模型进行了介绍，并描述所产生的行为的例子。
2004-07-18 cond-mat.soft q-bio.BM q-bio.SC
Dynamic tuning of the director field in liquid crystal shells using block copolymers
当一个半导体液晶（LC）被限制在一个自封闭的球壳上时，拓扑约束会产生有趣的结果，这主要取决于LC在壳中的排列方式。我们证明了可逆的动态调整的对齐，从而拓扑结构，稳定的非离子两亲性嵌段共聚物普朗尼克F127的CNOLC壳。在α相的深处，指向矢与界面相切，但在接近向列-各向同性转变的温度TNI时，指向矢重新对准法线。我们将此链接到一个微妙的界面张力之间的相互作用，这是几乎独立的导演方向，和配置依赖的弹性形变能量的LC限制在一个壳。该过程主要是由加热引起的有序序参量的减少而触发的，因此在具有高TNI和低TNI的LC之间，重新排列温度分别相差几十度。在正弯曲的壳体外部的重新排列的温度总是低于在负弯曲的内部，从而在加热时产生复杂的拓扑重新配置。补充实验研究与数学建模和计算机模拟，我们确定和调查三种不同的轨迹，区分其配置的拓扑缺陷的初始切向对齐壳。我们的研究结果揭示了一个新的方面的复杂的响应LC弯曲的限制，表明LC本身的顺序可以影响的对齐，从而拓扑结构的系统。它们还揭示了两亲性嵌段共聚物稳定剂的潜力，用于实现LC壳构型的连续可调性，为拓扑动力学的深入研究以及新的应用打开大门，例如，传感和编程软执行器。
2020-06-01 cond-mat.soft physics.comp-ph
Dissipative particle dynamics models of encapsulated microbubbles and gas vesicles for biomedical ultrasound simulations
本文提出了一种基于耗散粒子动力学的通用粒子建模框架，用于准确捕捉封装微气泡和气体囊泡的弹性与流变性质，并通过多种仿真与实验数据对比验证了该模型，为大规模封装体仿真奠定了基础。
2025-04-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Molecular dynamics simulation: a tool for exploration and discovery using simple models
涌现现象都有一个令人着迷的特性，那就是它们并不是系统设计的明显结果。在试图模拟这种现象时，这一特征同样重要，因为结果并不总是预先确定的。目前的调查集中在几个简单的模型系统，表现出令人惊讶的丰富的紧急行为，所有的MD模拟研究。这些例子取自流体动力学、颗粒物质和超分子自组装等不同领域。在使用离散粒子在详细微观水平上建模的流体研究中，模拟表明，旋转和对流流体中的复杂流体动力学现象，泰勒-库埃特和瑞利-贝纳德不稳定性，不仅可以在有限的长度和时间尺度内观察到MD，但甚至可以实现定量一致。模拟颗粒混合物中的高度违反直觉的偏析现象，再次使用MD方法，但现在增加了产生阻尼和摩擦力，导致类似于实验观察到的轴向和径向偏析的情况下，一个旋转的圆柱体的结果，并在垂直振动层的水平偏析的一种新形式。最后，当模拟类似于形成包装球形病毒的多面体壳的自组装过程时，适当形状的颗粒的模拟揭示了产生完整的、无错误的组装的能力，并导致重要的一般观察，即可逆的生长步骤有助于高产率。虽然MD方法在计算和概念上都有局限性，但结果提供了一个诱人的暗示，说明可以探索的现象种类，以及当有足够的资源来解决一个问题时可能会发现什么。
2014-11-13 cond-mat.soft
