Signal processing in the TGF-beta superfamily ligand-receptor network
TGF-β通路在组织稳态和形态发生中起着核心作用。它将多种细胞外信号转导成细胞内转录反应，这些反应控制大量细胞过程，包括细胞生长、凋亡和分化。我们使用计算建模表明，耦合信号与受体贩运的结果在一个高度通用的信号处理单元，能够感测本身的绝对水平的配体，配体浓度的时间变化，和多种配体的比例。这种耦合控制受体模块的响应是瞬时的还是永久的，以及不同的信号通道是否彼此独立地行为。我们的计算方法统一了看似不同的实验观察，并提出了受体运输模式的特定变化，这些变化可能导致有利于肿瘤进展的表型。
2005-09-14 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.MN
Universal properties of concentration sensing in large ligand-receptor networks
细胞使用有限的一组受体来估计其环境中化学配体的浓度。最近的工作表明，结合和非结合事件的时间序列，只有一个单一的受体，可以用来估计多个配体的浓度。在这里，对于一个网络的许多配体和许多受体，我们表明，这种时间序列可以用来估计浓度的几倍，因为有受体的配体物种。至关重要的是，我们证明了这些估计的逆协方差矩阵的谱具有几个普遍的性质，我们可以追溯到Vandermonde矩阵的性质。我们认为，这可以被细胞用于现实的生化解码网络。
2019-06-20 physics.bio-ph q-bio.MN
Know the single-receptor sensing limit? Think again
细胞如何可靠地推断有关其环境的信息是一个根本性的重要问题。虽然传感和信号通常从细胞表面受体开始，但即使是最简单的设备（单个受体），细胞也很难准确测量外部配体浓度。最近的研究为基本的物理极限提供了相互矛盾的结果。比较是困难的，因为不同的研究要么建议不同的读出机制的配体-受体占用，或不同的配体扩散是如何实现的。在这里，我们批判性地分析了这些研究，并对传感极限提出了统一的观点，具有广泛的生物学意义。
2015-10-31 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Binding constants of membrane-anchored receptors and ligands: a general theory corroborated by Monte Carlo simulations
包围细胞和细胞器的生物膜的粘附过程对于免疫应答、组织形成和信号传导是必不可少的。这些过程敏感地依赖于介导粘附的膜锚定受体和配体蛋白的结合常数K2 D，这在蛋白质的“二维”（2D）膜环境中难以测量。因此，一个重要的问题是将K2 D}与缺乏膜锚并且在三维（3D）中自由扩散的受体和配体的可溶性变体的结合常数K3 D}相关联。在这篇文章中，我们提出了一个一般性的理论结合常数K2 D和K3 D的相当硬的蛋白质，其主要的自由度是平移和旋转，沿膜和锚点周围的“在2D”，或不受约束的“在3D”。该理论概括了以前的结果，通过描述如何K2 D取决于平均分离和热纳米级粗糙度的并列膜，以及受体和配体的长度和锚定的灵活性。我们的理论结果的比率K2 D/K3 D的结合常数同意从Monte Carlo模拟的详细结果没有任何数据拟合，这表明，该理论捕捉到的“降维”由于膜锚定的基本特征。在我们的Monte Carlo模拟中，我们考虑了一种新的粗粒度模型的生物膜粘附，其中的膜表示为离散的弹性表面，和受体和配体作为锚定分子，沿着膜连续扩散，并在其锚点旋转。
2015-11-24 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.SC
Strength and stability of active ligand-receptor bonds: a microtubule attached to a wall by molecular motor tethers
我们开发了一个随机动力学模型的一个预先形成的附件的微管（MT）与细胞皮质，其中的MT是拴系到细胞的一组活跃的马达蛋白。这种连接是配体-受体键的一种特别独特的情况：MT配体通过聚合-解聚动力学随时间改变其长度（从而改变结合位点），而多个运动受体倾向于沿着MT长度主动行走。这些过程，结合力介导的马达的解绑，导致MT连接到细胞皮层的复杂行为。我们目前的结果的强度和寿命的系统，通过完善的力钳和力斜坡协议时，外部张力施加到MT。模拟结果表明，MT细胞附着行为作为一个捕捉债券或滑移债券取决于系统参数。我们提供了分析近似的寿命和讨论的影响，我们的结果在体外实验。
2017-08-20 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.SC
How do incorrect ligands help detect a correct ligand?
National Central University（中央大学）；Academia Sinica（中央研究院）
针对受体对极少数正确配体的快速特异反应，提出含结合态耦合和动力学校对的最小模型，发现单个正确配体可借错误配体诱导激活其他受体，实现快速灵敏响应。
2026-10-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Ligand-Receptor Interactions
各种大分子之间特异性非共价相互作用的形成和解离在生物系统的功能中起着至关重要的作用。在过去的几年里，三条主要的研究路线使我们对这些重要现象的理解有了显著的提高。首先，基因工程和X射线晶体照相术的结合使得人们可以同时了解一系列或相关的配体-受体系统的精确结构和亲和力，这些配体-受体系统的区别在于几个定义明确的原子。第二，计算机能力和模拟技术的改进允许对现实大分子相互作用的扩展探索。第三，基于原子力显微镜、流体动力学流动、生物膜探针、光镊、磁场或柔性换能器的各种技术的同时发展产生了单配体受体键行为的直接实验信息。与此同时，明确定义的细胞模型的研究引起了生物学家对细胞膜受体的动力学和力学性质的兴趣。这篇评论的目的是描述这些进展，受益于一个很大程度上多学科的方法。
2008-09-11 physics.bio-ph
Ligand-induced oligomerization of the human GPCR neurotensin receptor 1 monitored in living HEK293T cells
人神经降压素受体1（NTSR 1）是一种G蛋白偶联受体，可通过稳定转染在HEK 293 T细胞中表达。其配体是一种13个氨基酸的肽，从细胞外侧以纳摩尔亲和力结合NTSR 1。配体结合诱导引发细胞内信号传导过程的构象变化。最近的单分子研究揭示了受体在体外的动态单体-二聚体平衡。在这里，我们报告的寡聚化状态的人NTSR 1在HEK 293 T细胞的质膜在体内。我们将不同的荧光标记蛋白mRuby 3或mNeonGreen融合到NTSR 1的C-末端，并将四半胱氨酸基序突变为细胞内环3（ICL 3），用于随后的FlAsH标记。通过FLIM和homoFRET显微镜（即通过荧光各向异性检测的相同荧光团之间的福斯特共振能量转移），通过共定位显微镜和使用结构化照明显微镜（SIM）的延时成像，在用其配体刺激受体之前和之后监测NTSR 1的寡聚化。
2019-01-31 physics.bio-ph q-bio.BM
Fool's gold: ligand-receptor interactions and the origins of life
本文以铁硫理论为视角，回顾配体-受体相互作用，探讨受体激活的电子隧穿理论及黄铁矿介导的机制，揭示氧化还原活性和二硫键的核心重要性，指出生物分子选择性导电性对理解药效和病毒感染等现象的关键作用。
2024-12-18 physics.bio-ph quant-ph
Evolutionary tuning of TAM receptor-ligand interfaces highlights electrostatic features associated with regenerative phagocytic signaling
Pontifical Catholic University of Chile（智利天主教宗座大学）
通过进化调优揭示TAM受体-配体界面的静电特征，为再生吞噬信号的物种特异性调节提供保守框架。
2026-01-05 physics.bio-ph q-bio.NC
Physical limit to concentration sensing amid spurious ligands
为了适应不断变化的环境中的行为，细胞通过将外部配体与其受体结合来感知浓度。然而，不正确的配体可能与受体非特异性结合，并且当它们的浓度很大时，这种结合活性可能干扰感兴趣配体的感测。在这里，我推导出分析的物理限制的浓度传感的准确性之间的大量的干扰配体。当正确配体的平均结合时间是不正确配体的两倍时，发现了标度转换。我讨论了如何物理绑定可以接近级联的受体状态概括动力学校对计划。
2015-07-22 physics.bio-ph q-bio.MN
Mechanobiology predicts raft formations triggered by ligand-receptor activity across the cell membrane
不同类型的配体结合受体聚集在细胞膜增厚的岛上，即脂筏，是实验观察到的现象。虽然其对细胞反应的影响进行了深入研究，但在配体结合过程中涉及活性受体和周围脂质膜的机械过程和多物理学之间的耦合作用尚未被理解。具体而言，这项工作的重点是G蛋白偶联受体（GPCR），它通过化学信号通路调节特定的细胞过程，涉及细胞内环境中由活性GPCR产生的环腺苷酸（cAMP）及其流出之间的协同平衡，由多药耐药蛋白（MRP）转运蛋白介导。本文发展了一个多物理方法之间的相互作用的基础上的能量，多尺度的几何变化和物质平衡的物种，即活跃的GPCR和MRP，包括扩散和动力学的结合和解除结合。由于所获得的能量取决于运动学和物种密度的变化，质量和线性动量的平衡被耦合并支配细胞膜的时空演化。机械生物学涉及重塑和改变的脂质排序的细胞膜允许预测动力学的转运蛋白和活性受体-在协议与实验观察到的cAMP水平-以及后者如何触发筏形成和簇在这些网站上。在目前关于严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）的科学辩论中，并基于脂筏通常作为病毒进入端口的确定事实，人们认为，解释机械生物学方面强耦合的方法甚至有助于更好地理解膜介导的现象，如COVID-19病毒-细胞相互作用。
2020-05-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Direct visualization of superselective colloid-surface binding mediated by multivalent interactions
基于受体密度的微小差异可靠地区分细胞对于细胞-细胞或病毒-细胞识别、信号转导的启动和定向药物递送中的选择性靶向至关重要。基于受体密度的不同表面之间的这种急剧差异只能通过多价相互作用来实现。一些理论和实验工作有助于我们理解这种“超选择性”，但是一个通用的，受控的实验模型系统，允许定量测量的配体-受体水平仍然是失踪。在这里，我们提出了一个多价模型系统的基础上，胶体颗粒配备了表面移动的DNA连接器，可以超选择性地靶向与互补的移动DNA连接器功能化的表面。使用光学显微镜和Foerster共振能量转移（FRET）的组合方法，我们可以直接观察接触区域中配体-受体对的结合和募集。我们发现，随着配体或受体浓度的增加，胶体表面结合概率的非线性转变。此外，我们观察到较弱的配体-受体相互作用的灵敏度增加，我们证实，单个接头的结合可逆性的时间尺度对超选择性有很强的影响。配体-受体水平上的这些前所未有的见解提供了新的，动态的信息到两个流动的受体和配体介导的流体膜之间的多价相互作用，并将使未来的工作的作用时空配体-受体动态胶体表面结合。
2021-03-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Identification and super-resolution imaging of ligand-activated receptor dimers in live cells
分子间的相互作用是许多化学和生物过程的关键，如蛋白质功能。在许多信号传导过程中，它们发生在亚细胞区域，显示纳米级组织并涉及分子组装。纳米尺寸和相互作用的动态性质使它们在活细胞中的研究变得复杂。虽然超分辨率荧光显微镜提供亚波长分辨率的活细胞分子成像，但它们缺乏区分相互作用分子群体的特异性。在这里，我们结合超分辨率显微镜和单分子Förster共振能量转移（FRET）来识别由配体结合诱导的受体二聚体，并提供其在活细胞中的膜分布的超分辨图像。通过开发一种双色通用的点累积在纳米尺度的拓扑图（uPAINT）方法，表皮生长因子受体（EGFR）激活的表皮生长因子受体（EGFR）的二聚体研究在超高密度，揭示优先细胞边缘亚定位。这种专门用于研究相互作用中的分子的方法，可能会在理解分子组织至关重要的生物系统中找到其他应用。
2013-12-03 physics.bio-ph
Dissecting Individual Ligand-Receptor Bonds with a Laminar Flow Chamber
蛋白质最重要的功能可能是与其他生物分子结合。长期以来，人们一直认为可溶性受体和配体之间的键形成和解离的动力学速率可以解释结合过程的大多数特征。只有理论上的考虑允许预测的行为表面附着受体的可溶性形式的属性。在过去的十年中，基本上基于流动室，原子力显微镜或生物膜力探针的实验进展允许在单键水平上直接分析生物分子相互作用，并对以前被忽视的特征（如键的机械性质或能量景观）提供了新的见解。本文综述了层流室的主要研究进展，包括力的键反应、结合态的多样性、连接结构间的键形成动力学、分子环境对受体效率的影响以及多价连接行为等方面的信息;比较了层流室与其他技术在几个定义明确的分子系统上的结果，讨论了流动室法的局限性。它的结论是，可能需要一个新的框架来解释生物分子缔合的有效行为。
2008-09-11 physics.bio-ph
Protein - Small Molecule docking with receptor flexibility in iMOLSDOCK
我们之前已经报道了iMOLSDOCK技术进行诱导拟合肽-蛋白质对接。iMOLSDOCK使用相互正交拉丁方（MOLS）技术对小分子配体的构象和对接位姿以及受体蛋白的柔性残基进行采样，并得出最佳位姿和构象。在本文中，我们报告了在iMOLSDOCK中进行的扩展，以将非肽小分子配体对接到受体蛋白。我们已经用34种蛋白质-配体复合物的数据集对iMOLSDOCK进行了基准测试和验证，这些蛋白质-配体复合物以非肽小分子作为配体。我们还将iMOLSDOCK与其他灵活的受体对接工具GOLD v5.2.1和AutoDock Vina进行了比较。结果表明，该方法比这两种算法更有效，但计算时间更长。MOLS 2.0的源代码和二进制文件（在GNU宽松通用公共许可证下）可以在https://sourceforge.net/projects/mols2-0/files/上免费下载
2020-10-12 physics.bio-ph
Receptor-ligand rebinding kinetics in confinement
分子配体的再结合动力学在生物机械中起着至关重要的作用，从调控网络到蛋白质转录，也是设计药物和高精度生物传感器的关键因素。在这项研究中，我们研究了配体的初始释放和再结合到它们的结合位点接枝在一个平面表面上，一种常见的情况在单分子实验中观察到，并发生在胞吐在体内。通过标度参数和分子动力学模拟，我们分析了非平衡再结合动力学对两个内在长度尺度的依赖性：结合位点之间的平均分离距离和扩散体积的尺寸（例如，发生扩散的实验储层的高度或受体承载表面之间的平均距离）。我们得到依赖于时间的标度律率和各种制度的再结合事件的累积数量。我们的分析表明，对于扩散限制的情况下，通过多个幂律制度之前的终端稳态制度，其中的导通率变得恒定的速率下降。在中间的时间，在整个水库的颗粒密度还没有变得均匀，由于配体从其结合位点的三维逃逸过程，重新结合的数量表现出明显的平台制度。该方案的持续时间取决于结合位点之间的平均分离距离。在三维扩散逃逸过程之后，一维扩散区域描述速率。在反应受限的情况下，配体与其结合位点具有更高的亲和力，延迟幂律。我们的研究结果可以用于提取隐藏的时间尺度在实验中，配体-受体相互作用的动力学速率在微通道中测量，以及通过扩散分子的细胞信号。
2018-07-10 physics.bio-ph
Ligand-induced Coupling versus Receptor Pre-association: Cellular automaton simulations of FGF-2 binding
已知碱性成纤维细胞生长因子（FGF-2）与其细胞表面受体（CSR）的结合以及随后的信号转导被硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPG）增强。HSPG以低亲和力结合FGF-2，并且可能通过与配体和受体两者缔合而稳定FGF-2-CSR复合物来影响CSR介导的信号传导。目前尚不清楚的是，在缺乏FGF-2的情况下，HSPG是否与CSR相关。在本文中，我们确定的条件下，预协会将影响CSR-FGF-2-HSPG三单元组的形成，假设扩散限制的表面反应。使用平均场速率方程，我们表明：（i）当[HSPG]远高于[CSR]时，预形成的复合物的存在不影响FGF-2结合的稳态，以及（ii）当浓度相当时，预形成的复合物的存在显著增加了与CSR结合的FGF-2的稳态浓度。这些发现支持明确的元胞自动机模拟，证明平均场治疗。我们讨论了这样一个双受体系统的优点相比，一个单一的受体模型，当参数是可比的。此外，我们推测在完整细胞中观察到的高浓度HSPG（[HSPG] ~ 100[CSR]）提供了一种确保FGF-2与其信号传导受体的结合水平保持高的方式，而不管细胞表面上是否存在预形成的CSR-HSPG复合物，同时允许细胞通过下调信号传导受体来精细地调节对FGF-2的响应。
2003-08-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Free energy of ligand-receptor systems forming multimeric complexes
配体-受体相互作用在生物学中普遍存在，并且鉴于其在可编程自组装中的应用而在材料中变得流行。虽然复杂的功能性通常来自于两个以上连接分子的同时相互作用，但现有技术的理论框架仅能够在具有一对一配体/受体结合的系统中计算自由能。在这篇文章中，我们推导出一个通用公式来计算一个系统的自由能，该系统具有任意数量的连接体之间的同时直接相互作用。为了验证我们方法的潜力和通用性，我们将其应用于Parolini等人最近引入的系统。[ACS Nano 10，2392（2016）]和Halverson等人。[J. Chem. Phys. 144，094903（2016）]，两者都具有通过三连接体复合物相互作用的功能化布朗粒子。
2016-04-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A simple analytical formula for the free-energy of ligand-receptor mediated interactions
最近，我们提出了一个计算由配体-受体键介导的胶体相互作用的强度和性质的一般理论（例如结合DNA包被的胶体的那些）。在这次交流中，我们得到了一个令人惊讶的简单的相互作用自由能的分析形式，这是以前只能通过昂贵的数值热力学积分。因此，计算工作，以获得潜在的相互作用是显着减少。此外，我们还可以从极限情况下的自由能的解析表达式中得到一些启示。特别是，我们的一般理论与其他以前的专门方法的联系现在变得透明了。这一重要的简化将大大拓宽我们理论的范围。
2013-01-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Extrinsic and intrinsic correlations in molecular information transmission
细胞通过用细胞表面受体捕获配体分子来测量外部配体的浓度。被不同受体捕获的分子的数量共变，因为它们依赖于相同的外在配体波动。然而，由于化学过程的内在随机性，这些数字也会反向变化，因为被受体随机捕获的单个分子不能被另一个分子捕获。通常认为，与独立受体的情况相比，这种受体相关性的结构导致关于外部信号的信息增加。我们分析了两个分子受体的可解模型，并表明，与这种普遍的期望相反，相关性有一个小的和负面的影响配体浓度的信息。此外，我们表明，对多个受体进行平均的测量几乎与跟踪每个个体状态的测量一样具有信息性。
2016-02-26 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.NC
Ligand-receptor binding kinetics in surface plasmon resonance cells: A Monte Carlo analysis
表面等离子体共振（SPR）芯片广泛用于测量两种化学物质之间的结合动力学的缔合和解离速率，例如，细胞受体和配体。通常假设配体在SPR区域中空间上混合良好，因此平均场速率方程描述是适当的。然而，这种近似忽略了空间波动以及由多个局部再结合事件引起的时间相关性，这对于慢扩散速率和高结合亲和力变得突出。我们报告详细的蒙特卡罗模拟配体结合动力学在SPR细胞受到层流。我们提取的结合和解离速率的手段，经常采用的实验分析的动机是由平均场近似的技术。我们发现，因此提取的速率和已知的输入模拟值之间的一个广泛的参数制度的重大差异。这些结果强调了SPR池几何结构中二元反应动力学时空相关性的重要性，并证明了在高Damköhler数Da > 0.1的情况下SPR池平均场分析的失败，其中由于扩散传输和配体-受体再结合事件导致的时空相关性主导了SPR系统的动力学。
2016-09-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
Variational implicit-solvent predictions of the dry-wet transition pathways for ligand-receptor binding and unbinding kinetics
配体-受体结合和解结合是基本的生物分子过程，并且对于药物功效特别重要。然而，环境水分波动影响相应的热力学和动力学，从而挑战理论描述。在这里，我们设计了一个整体的，隐式溶剂，多方法的方法来预测（联合国）结合动力学的一个通用的配体口袋模型。我们使用变分隐式溶剂模型（VISM）计算溶质-溶剂界面结构和相应的自由能，并将VISM与弦方法相结合，得到了各种亚稳（“干”和“湿”）水合状态之间的最小能量路径和过渡态。所得的干-湿转换率，然后使用在一个空间依赖的多状态连续时间马尔可夫链布朗动力学模拟，和相关的福克-普朗克方程计算，配体随机运动，提供的平均首次通过时间的绑定和unbinding。我们发现水化过渡显着减慢绑定过程，在半定量协议与现有的显水模拟，但显着加速解绑定过程。此外，我们的方法允许在配体运动过程中的口袋和配体的非平衡水合状态的表征，为此，我们发现大量的记忆和滞后效应的结合与非结合。因此，我们的研究提供了一个重要的一步，在现实的配体-受体系统的复杂动力学的有效的，基于物理的解释和预测。
2019-06-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Combinatorial entropy behaviour leads to range selective binding in ligand-receptor interactions
从病毒到纳米颗粒，用多个配体功能化的构建体显示出仅由多价效应产生的特殊结合特性。使用统计力学建模，我们在这里描述如何利用多价性来实现我们所称的范围选择性，也就是说，仅结合到具有指定范围内的一些受体的目标。我们使用我们的模型来描述参数空间中的区域，人们可以期望发生范围选择性瞄准，并为这种现象提供实验支持。总体而言，范围选择性代表了增加多价构建体的靶向选择性的潜在途径。
2020-11-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Fundamental Limits to Cellular Sensing
近年来的实验表明，活细胞可以高精度地测量低化学浓度，并且在理解化学传感精度的基本限制方面取得了很大进展。化学浓度测量从配体分子与受体蛋白的结合开始，这是一个固有的噪声过程，特别是在低浓度下。将配体浓度信息从受体传递到细胞的信号网络必须尽可能地过滤这种细胞外部的噪声。然而，这些网络在本质上也是随机的，这意味着它们也会向传输的信号中添加噪声。在这篇综述中，我们将首先讨论配体与受体的扩散运输和结合如何设置受体相关时间，然后下游信号通路如何整合受体状态中的噪声;我们将讨论受体的数量、受体相关时间和有效整合时间如何共同设置传感精度的基本限制。然后，我们讨论了细胞如何消除受体噪声，同时抑制信号网络中的固有噪声。我们描述了为什么这种时间整合机制需要三类资源-受体和它们的整合时间，读出分子，能量-以及每个资源类如何设置一个基本的传感限制。我们还简要讨论了最大似然估计的方案，受体协同性的作用，以及细胞复制协议如何不同于典型的复制协议通常认为在计算文献中，解释为什么细胞传感系统永远无法达到兰道尔限制的最佳权衡之间的准确性和精力充沛的成本。
2015-05-25 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Steric interactions between mobile ligands facilitate complete wrapping in passive endocytosis
受体介导的内吞作用是一种普遍存在的过程，通过该过程，细胞内化生物或合成的纳米级物体，包括病毒、单细胞寄生虫和用于药物或基因递送的纳米医学载体。在被动内吞作用中，细胞质膜包裹由配体-受体复合驱动的“入侵者”颗粒。通过理论和数值模拟，在这里，我们展示了如何装饰的自由扩散和非相互作用（理想）配体的粒子是显着更难以包装比那些配体是固定的或相互作用的空间。我们的模型合理化的摄取机制和入侵者的结构细节，如配体的大小，流动性和配体/受体亲和力之间的关系，提供了一个全面的图片病原体的内吞作用，并帮助合理设计有效的药物输送载体。
2018-08-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Computational investigation of multivalent binding of a ligand coated particle: Role of shape, size and ligand heterogeneity from a free energy landscape perspective
我们利用多尺度建模框架来研究形状、大小和配体组合物对配体涂覆的颗粒与靶受体官能化的基底结合的功效的影响。首先，我们展示了如何分子动力学（MD）与Steered MD计算可以用来准确地参数化的分子结合自由能和有效的弹性常数的受体-配体对。我们证明了这两个配体结合的整合素的$α_5β_1$ -域。接下来，我们将展示如何使用这些有效的潜力，以建立计算模型，在中观尺度和连续尺度。这些模型结合了受体-配体相互作用的分子性质，并提供了一种廉价的途径来研究受体和配体的多价相互作用，通过构建定制的分子身份的贝尔电位。我们量化的配体涂层颗粒的结合效率，其多价性，结合自由能景观和损失的构型熵。我们发现，（i）结合亲合力小于$350$ nm的颗粒尺寸之间的竞争，而为以上$350$ nm的大小是由结合焓为主，（ii）各向异性颗粒显示更高的多价结合相比，球形颗粒和（iii）配体组成的变化可以改变结合亲合力，而不改变平均多价。本文的方法和结果在功能化载体的合理设计和理解细胞粘附方面具有广泛的应用。
2018-03-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Ultrasensitivity and Fluctuations in the Barkai-Leibler Model of Chemotaxis Receptors in {\it Escherichia coli}
用Barkai-Leibler模型的随机形式描述了{ \it E.大肠杆菌}的构象动力学研究，阐明内在网络噪声的影响。它最初被提出来解释{ \it E.大肠杆菌}中观察到的广泛的空间均匀的引诱剂/驱避剂（配体）浓度。受体可以是活性的，也可以是非活性的，并且可以在两种状态之间随机切换。酶CheR使非活性受体甲基化，而CheB使活性受体去甲基化，其活性的可能性取决于其甲基化和配体化的水平。每个受体具有两个甲基化位点（M=2）的模型的简单版本显示出零级超灵敏度（ZERO），类似于Goldbeter和Koshland（GK）研究的共价修饰的经典2态模型。对于非常小和大的配体浓度，该系统减少到两个2状态GK模块。在线性噪声近似（LNA）下的数学估计的活性（方差）的自发波动的定量测量发现峰值附近的Zynga过渡。方差是配体和受体浓度的弱、非单调和递减函数。Gillespie模拟M=2下得到的LNA的分析结果显示出良好的协议。M=2、3和4的数值结果表明，平均活度中的Z是零，M越大，方差越小。从现有的实验数据推导出的受体噪声的大小与我们的预测是一致的。对下游信号通路的简单分析表明，这种噪音足够大，对生物体的运动性有有益的影响。平均受体活性的响应小的时间依赖性变化的外部配体浓度，线性响应理论内计算，被发现有一个双叶的形式。
2017-03-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Effect of receptor clustering on chemotactic performance of Escherichia coli: sensing versus adaptation
我们展示了传感和适应之间的竞争如何导致大肠杆菌趋化性的性能峰值，在一个详细的理论模型中使用广泛的数值模拟。受体聚集放大了来自配体结合的输入信号，这增强了趋化效率。但是，由于星系团的数量减少，大星系团也会引起总活动的大幅波动。这种活动以及由此产生的翻滚运动现在由甲基化水平控制，甲基化水平是适应模块的一部分，而不是配体结合。这降低了趋化效率。
2021-03-10 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Effects of thermal fluctuation and the receptor-receptor interaction in bacterial chemotactic signalling and adaptation
细菌的趋化性是由受体的构象变化来控制的，以响应环境化学物质浓度的变化。在统计力学方法中，由于构象变化的信号传导是热力学平均量，取决于系统的温度和总能量，包括配体-受体相互作用和受体-受体相互作用。这一物理理论为生物学提供了对配体结合和受体信号传导问题合作的新理解。从现有的数据中可以获得多少实验支持这种方法？参数值是什么？实验的实用信息是什么？在这里，我们的理论和最近的实验结果之间的比较。虽然目前的比较只能是半定量或定性的，但一致性已清楚地显示出来。该理论还有助于对各种数据进行分类。
2001-07-31 cond-mat physics.bio-ph q-bio.MN
Bidirectional allostery mechanism of catch-bond effect in cell adhesion
捕获键，其中非共价配体-受体相互作用被张力反直觉地加强，在机械应力下的细胞粘附中起主要作用。捕获键形成的一个基本先决条件是力诱导的配体结合界面的重塑发生在键断裂之前。然而，受体蛋白利用什么策略来满足这种特定的动力学控制仍然不清楚，使得捕获键的机制理解是一个悬而未决的问题。本文报道了透明质酸受体CD 44的捕获键的双向变构机制，该受体负责淋巴细胞和循环肿瘤细胞的滚动粘附。配体HA的结合变构地降低了用于解锁另外稳定折叠的力感测元件（即，前向变构），使得小得多的张力可以在键断裂之前通过后向变构偶联触发受体蛋白质的构象转换到高结合强度状态。原子分子动力学模拟进一步支持了前向变构效应。这种双向变构机制实现了捕获键所需的特定动力学控制，并且可能在细胞粘附中被普遍利用。我们还发现了一个滑动-捕获-滑动三相模式的力响应的CD 44-HA键所产生的力诱导的重新分配的平行解离途径。确定了形成捕获键的受体蛋白质的基本热力学和动力学特征。
2023-03-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Clustering and Signalling of Cell Receptors
作为对配体结合的响应，跨膜细胞受体通常在信号传导过程中增强它们的聚集或寡聚化。在这里，我们提出了一个统计力学模型，它结合了聚类和信号方面。在这个模型中，受体漂浮在表面上，而对于两个相邻的受体，存在依赖于它们的构象状态的相互作用能。另一方面，受体的配体结合改变了两种构象状态之间的能量差。由于热涨落，聚类和信号的影响是统计平均量。该模型简化为一个带有随机场的浮动伊辛模型。我们计算的巨正则系综平均场的方法，使用Hubbard-Stratonovich变换和复制方法的信令。还进行了蒙特卡罗模拟。在我们的模型中获得了基本的生物特征。
2002-06-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Chemical sensing by cell-surface chemoreceptor arrays: the roles of receptor cooperativity and adaptation
大多数感觉细胞使用跨膜化学感受器来检测环境中的化学信号。化学感受器的生化特性和空间组织在实现和维持化学传感的灵敏度和准确性方面起着重要作用。在这里，我们调查的影响受体的协同性和适应的限制梯度感应。我们研究了单个细胞表面聚集的化学感受器阵列，并从瞬时感受器活性的不确定性推导出梯度传感极限的一般公式。在独立的受体相比，我们发现，由非适应性受体的协同性可以显着降低的化学浓度范围内的配体-受体结合和配体诱导的受体活性的生化特性确定的传感极限。适应性受体的协同作用有利于在宽范围的背景浓度内进行梯度传感。我们的研究结果还表明，各向同性受体聚集体的细胞表面上的布局代表了梯度传感的最佳配置。
2013-02-20 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.MN
Data-driven Discovery of Biophysical T Cell Receptor Co-specificity Rules
Department of Physics, Princeton University, Princeton, NJ, USA（普林斯顿大学物理系）；Division of Infection and Immunity, University College London, London, UK（伦敦大学学院感染与免疫系）；Division of Medicine, University College London, London, UK（伦敦大学学院医学系）；Cancer Institute, University College London, London, UK（伦敦大学学院癌症研究所）；Institute for the Physics of Living Systems, University College London, London, UK（伦敦大学学院生命系统物理研究所）；Department of Computer Science, University College London, London, UK（伦敦大学学院计算机科学系）；Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics, Princeton University, Princeton, NJ, USA（普林斯顿大学整合基因组学研究所）；Department of Molecular Biology, Princeton University, Princeton, NJ, USA（普林斯顿大学分子生物学系）
提出优化框架，从SARS-CoV-2相关TCR数据中发现共特异性生物物理规则，揭示空间性质匹配比疏水性更重要，且非接触位置有显著贡献。
2025-06-22 cs.LG physics.bio-ph q-bio.BM
Implicit Ligand Theory: Rigorous Binding Free Energies and Thermodynamic Expectations from Molecular Docking
一个严格的形式主义，估计非共价结合自由能和热力学期望的计算中，受体构型独立的配体采样。由于这种分离，受体构型只需要取样一次，便于在虚拟筛选中使用结合自由能计算。示范计算上的主-客体系统产生良好的协议与以前的自由能计算和等温滴定量热法测量。隐式配体理论为如何改进现有的分子对接算法和深入了解非共价大分子识别中的诱导匹配和构象选择概念提供了指导。
2012-08-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Cell-Type-Specific Differences in KDEL Receptor Clustering in Mammalian Cells
在真核细胞中，KDEL受体（KDELRs）促进内质网（ER）腔蛋白从高尔基体区室回到ER。除了有据可查的保留功能之外，最近的研究结果表明，细胞KDELRs具有更复杂的作用，例如在细胞信号传导、蛋白质分泌、细胞粘附和肿瘤发生中。此外，一些研究表明，KDELR的亚群位于细胞表面，在K/HDEL-配体结合后，它们可以在细胞表面形成并内化KDELR/货物簇。然而，到目前为止，还不清楚是否有细胞类型或物种特异性差异KDELR聚类。通过活细胞成像比较不同小鼠和人细胞系中配体诱导的KDELR聚类，我们表明来自两个物种的巨噬细胞系不形成任何聚类。使用RT-qPCR实验和数值分析，我们解决的作用KDELR的表达，以及胞吞和胞吐率的受体聚集在质膜上，并讨论如何直接运输到首选的对接网站上的膜的效率影响指数的幂律分布的集群大小。
2020-01-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
A schematic model for molecular affinity and binding with Ising variables
在讨论了统计物理在分子识别过程中的相关性之后，我们提出了一个基于伊辛链的配体-受体缔合的示意性模型。讨论了配体刚度增加时，亲和力的可能行为。我们还考虑了柔性受体的情况。得到了各种有趣的行为，包括一些亲和力调制后，键硬化软化。其受体的配体的亲和力取决于其刚性配置文件的细节，我们质疑的可能性编码信息的刚性以及形状。对长度为$n<8$的图案的选择性进行了详尽的研究，最后指出了与其他自旋模型，特别是自旋玻璃的联系。
2010-04-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Models of dynamic extraction of lipid tethers from cell membranes
当与完整的膜受体结合的配体被拉动时，膜和下面的细胞骨架可以在膜从细胞骨架脱层或配体从受体分离之前变形。如果膜从细胞骨架脱层，它可能会被进一步挤压并形成膜系链。我们开发了一个现象学模型，这个过程假设变形服从胡克定律的临界力，在该临界力下，细胞膜局部脱离细胞骨架和膜系链的形式。我们计算系绳形成的概率，并表明，它们只能在一个中间范围内的力加载速率和拉速度被挤出。计算配体脱离时产生的平均系链长度，以及产生最长系链的力加载速率和牵拉速度。
2010-02-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Chemotactic crawling of multivalent vesicles along ligand-density gradients
本研究设计基于脂质囊泡的人工细胞模型，通过DNA连接子实现多价黏附，实验与理论模型揭示运动方向性受结合强度和囊泡大小影响，为趋化性黏附生物物理及仿生运动系统提供设计规则。
2023-10-16 physics.bio-ph
Perfect adaptation in eukaryotic gradient sensing using cooperative allosteric binding
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
研究提出通过变构因子调控受体结合状态，实现细胞在不同浓度下对化学梯度的精准感知，并发现适应速度与感知精度存在权衡关系。
2025-08-29 physics.bio-ph q-bio.CB
The interplay between membrane viscosity and ligand-binding receptor kinetics in lipid bilayers
本研究通过引入依赖于应变水平的黏度构建脂质双层黏弹性本构模型，揭示了膜黏度与配体结合受体动力学的相互作用，为脂质筏活性及细胞力学信号传导提供了新见解。
2024-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Computational Estimates of Binding Affinities for Estrogen Receptor Isoforms in Rainbow Trout
采用分子动力学模拟研究虹鳟（Oncorhynchus mykiss）雌激素受体（ER）亚型与17 β-雌二醇（E2）的结合亲和力。以前的系统发育分析表明，在辐鳍鱼分化之前的全基因组复制导致了两种不同的ER β亚型，ER β 1和ER β 2，而最近在祖先鲑鱼中的全基因组复制产生了两种ER α亚型，ER α 1和ER α 2。我们的计算研究的目的是提供洞察这些异构体的潜在的进化压力。对于ER α亚型，我们的结果表明，E2优先结合ER α 1 ER α 2。谱系特异性dN/dS比的测试表明，ER α 2基因的配体结合结构域相对于所有其他ER α基因在放松选择下进化。与高度保守的DNA结合结构域的比较表明，ER α 2可能通过与另一种配体结合而进行新功能化。相比之下，ER β 1和ER β 2与E2的结合相似，最佳拟合选择模型表明，所有ER β基因的配体结合结构域在相同水平的纯化选择下进化，与ER α 1相当。
2010-02-02 physics.bio-ph physics.comp-ph q-bio.BM
Sliding across a surface: particles with fixed and mobile ligands
本研究针对配体-受体桥接锚定的表面颗粒动力学，推导了可动与固定配体颗粒的滑动扩散常数解析方程，经反应-扩散模拟验证，可助力从实验轨迹推断生物系统微观参数。
2022-04-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Kinetic Monte Carlo study of the type1/type 2 choice in apoptosis elucidates selective killing of cancer cells under death ligand induction
死亡配体介导的凋亡激活是广泛应用于细胞和生理情况的程序性细胞死亡模式。由于重组可溶性形式的死亡配体（主要是重组TRAIL）在抗癌治疗中的有希望的作用，对研究死亡配体诱导的细胞凋亡的兴趣增加。明确阐明死亡配体如何激活健康细胞和癌细胞中的1型和2型凋亡途径可能有助于开发更好的化疗策略。在这项工作中，我们使用动力学Monte Carlo模拟来解决1型/2型选择的问题，在死亡配体介导的癌细胞凋亡。我们的研究提供了深入了解膜近端死亡模块的激活，导致死亡和诱饵受体之间的复杂相互作用。死亡受体和诱饵受体的相对丰度被证明是激活膜组件中的起始半胱天冬酶的关键参数。死亡配体浓度的增加经常增加癌细胞中的1型活化分数，并且在某些情况下将信号传导表型从2型改变为1型。这项研究的结果还表明，癌症和健康细胞之间的固有差异，如在膜组件中，可能允许通过死亡配体诱导强烈激活癌细胞凋亡。与此同时，通过2型途径的大细胞间变异性被证明可以为健康细胞提供保护。癌细胞凋亡的选择性激活的这种阐明解决了癌症生物学和癌症治疗中的关键问题。
2015-01-30 physics.bio-ph q-bio.CB
Cooperative Model of Bacterial Sensing
细菌的趋化性是由一组受体的信号传导控制的。提出了一个合作模型，其中相邻的受体二聚体之间的耦合增强了敏感性，刺激可以被检测到，而不会减少趋化性可以操作的化学效应浓度的范围。单个受体二聚体具有两种稳定的构象状态：一种是活性的，一种是非活性的。噪声引起这些状态之间的分布，受配体结合的概率，也由相邻受体二聚体的构象状态。基于与随机分布磁场中伊辛模型的等价性，求解了两态模型。该模型只有两个有效参数，并统一了一些实验结果。根据比较耦合和噪声的参数的值，信号可以对与配体结合的受体二聚体的分数的变化任意敏感。甲基化水平变化的抵消作用映射到伊辛模型中的诱导场。通过将活性返回到刺激前水平，这使受体簇适应化学效应物的新的环境浓度，并确保可以在宽范围的浓度下保持敏感的反应。
1999-01-28 cond-mat physics.bio-ph q-bio.MN
Genetically designed biomolecular capping system for mesoporous silica nanoparticles enables receptor-mediated cell uptake and controlled drug release
具有按需释放和靶向能力的有效和可控的药物递送系统在生物医学应用中受到了极大的关注。在这里，我们描述了一种新的酶为基础的帽系统介孔二氧化硅纳米粒子（MSN），直接结合了通过生物正交点击化学的靶向配体。加帽系统是基于芳基磺酰胺官能化的MSN和碳酸酐酶（CA）的pH响应性结合。含有降冰片烯部分的非天然氨基酸（UAA）通过基因整合到CA中。这种UAA允许位点特异性生物正交连接，甚至非常敏感的靶向配体，如叶酸和花生四烯酸。这导致特异性受体介导的细胞和干细胞摄取。我们证明了成功的交付和释放的化疗药物放线菌素D KB细胞。这种新颖的纳米载体概念为开发精确可控和高度模块化的治疗诊断系统提供了一个有前途的平台。
2015-10-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Long ligands reinforce biological adhesion under shear flow
在这项工作中，计算机建模已被用于显示较长的配体允许生物细胞（例如，血小板）以在它们粘附到固体壁之后承受更强的流动。聚合物介导的配体-受体粘附的机制模型之间的微粒（细胞）和一个平坦的墙壁已经开发。粘附和非粘附制度之间的理论阈值已推导出解析和模拟证实。这些结果导致了对许多生物物理过程的更深入的理解，例如，动脉血栓形成，并设计新的仿生胶体聚合物系统。
2018-03-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Dissecting Subsecond Cadherin Bound States Reveals an Efficient Way for Cells to Achieve Ultrafast Probing of their Environment
细胞用膜受体不断探测它们的环境，实现其行为的亚秒级适应[1-3]。最近，发现几种受体，包括钙粘蛋白，结合配体的寿命为一秒的顺序。在这里，我们表明在单分子水平，同型C-钙粘蛋白协会涉及短暂的中间体持续不到几十毫秒。此外，这些中间体向更稳定的状态过渡，动力学速率随着皮牛顿力呈指数下降。这些特征使细胞能够在几分之一秒内检测配体或测量周围的机械行为，比以前认为的要快得多。
2007-09-25 physics.bio-ph q-bio.CB
Detecting concentration changes with cooperative receptors
细胞需要不断地监测环境的状态，以发现变化并及时做出反应。通过一组受体检测配体的浓度变化可以被视为假设检验的问题，并且细胞被视为Neyman-Pearson检测器。在这个框架内，我们调查的作用，提高细胞的能力，以检测变化的受体协同。我们发现，协同性降低了错过发生的变化的概率。当必须进行困难的检测时，这变得特别有益。关于如何快速实现所需的检测功率的协同性的影响，我们发现，在一般情况下，有一个最佳值在有限的合作水平，即使简单的歧视任务可以更迅速地执行非合作受体。
2015-07-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
