Collective multicellular patterns arising from cadherin-linked cytoskeletal domains
本文提出了一种显式耦合黏附复合物动力学与胞内力学的生物物理模型，揭示了多细胞群体中由钙黏蛋白连接的细胞骨架直接机械耦合所驱动的全局极化、振荡动力学及超细胞应力链等集体模式。
2025-09-16 physics.bio-ph q-bio.CB
Understanding cytoskeletal avalanches using mechanical stability analysis
真核细胞由称为细胞骨架的聚合物网络机械支撑，该聚合物网络消耗化学能来动态重塑其结构。最近的体内实验表明，这种重塑偶尔会通过巨大的位移发生，让人想起地震或雪崩。这些细胞骨架雪崩可能表明，细胞骨架的结构反应，不断变化的细胞环境是高度敏感的，因此，他们是显着的生物学利益。然而，人们对“细胞地震”背后的物理学知之甚少。在这里，我们使用基于代理的模拟细胞骨架的自组织研究网络的机械能的波动。我们稳健地观察到非高斯统计和不对称的大速率的能量释放相比，积累在一个最小的细胞骨架模型。能量释放的大事件被发现与大的，集体位移的细胞骨架丝。我们还发现，在本地化的张力和网络运动的投影到振动的正常模式的变化是不对称分布的能量释放和积累。这些结果意味着一个缓慢的能量储存的雪崩般的过程，被快速，大的能量释放事件打断，涉及集体网络重排。我们进一步表明，机械不稳定性发生细胞震之前，通过机器学习模型，动态预测细胞震的振动频谱作为输入。我们的研究结果提供了第一个连接之间的cytoquake现象和网络的机械能，可以帮助指导未来的调查细胞骨架的结构敏感性。
2021-06-08 physics.bio-ph
Active Cytoskeletal Composites Display Emergent Tunable Contractility and Restructuring
细胞骨架是一个典型的活性物质系统，控制着从分裂到运动的各种细胞过程。虽然这两个积极的肌动球蛋白动力学和肌动蛋白微管的相互作用是关键的细胞骨架的多功能性和适应性，了解他们的相互作用是缺乏。在这里，我们夫妇微观实验与机械建模，以阐明如何连接，刚性和力的产生影响新兴的材料特性在体外复合材料的肌动蛋白，微管蛋白和肌球蛋白。我们使用时间分辨微分动态显微镜和空间图像自相关显示，弹道收缩发生在具有足够的灵活性和电机密度的复合材料，但一个关键部分的微管是必要的，以维持受控的动态。我们的主动双网络模型表明，变性肌动球蛋白网络是必不可少的收缩，但具有可比的肌动蛋白和微管密度的网络可以独特地抵抗机械应力，同时支持大量的重组。我们的研究结果为设计受细胞因子启发的材料提供了急需的蓝图，这些材料将可调性与弹性和适应性结合起来。
2021-04-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Physical Principles of Size and Frequency Scaling of Active Cytoskeletal Spirals
本研究通过重建驱动蛋白驱动的微管螺旋实验，结合理论与模拟，揭示了螺旋半径和频率随力密度及丝长度的标度规律，修正了频率标度指数，并阐明了丝弹性与屈曲在活性丝物理中的关键作用。
2025-08-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Hierarchical self-organization of cytoskeletal active networks
肌动蛋白细胞骨架的结构重组是通过马达蛋白的作用来促进的，马达蛋白交联肌动蛋白丝并将它们相对于彼此运输。在这里，我们提出了一个相结合的实验计算研究，探讨肌动蛋白丝和肌球蛋白马达集群的混合物的动态演变。虽然在小的空间和时间尺度上，系统的行为在一个非常嘈杂的方式，在更大的尺度上，它演变成几个不同的模式，如束，星，和网络。这些模式的特点是具有高连通性的路口，其形成是可能的，由于组织的电机在“oligoclusters”（中等大小的聚集体）。模拟结果表明，自组织过程进行了一系列的层次步骤，从局部微观移动和范围到宏观大尺度的稳态结构形成。我们的研究结果揭示了细胞质分裂和细胞收缩等过程中所涉及的机制，其中肌球蛋白马达组织在集群中协同运作，以诱导细胞骨架网络的结构组织。
2012-02-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
A design framework for actively crosslinked filament networks
生命物质移动，变形，并组织自己。在细胞中，这是通过聚合物细丝和交联分子的网络实现的，交联分子将细丝彼此连接，并充当马达在网络上做机械功。对于高度交联的细丝网络的情况下，我们讨论了如何从微观代理施加的力出现的组件的材料特性。首先，我们介绍了一个唯象模型，其特征在于纤维之间施加交联人口的力量。其次，我们推导出一个理论，预测高度交联的细丝网络的材料性能，给出了交联。第三，我们讨论了哪些性质的交联设置的材料特性和行为的高度交联的细胞骨架网络。这里介绍的工作，将使更好地了解细胞骨架力学及其分子基础。这一理论也是迈向分子扰动如何影响细胞骨架组织的理论的第一步，并为在实验室中设计具有理想性质的细胞骨架网络提供了框架。
2020-09-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
A versatile framework for simulating the dynamic mechanical structure of cytoskeletal networks
计算机模拟可以帮助理解简单成分之间的相互作用如何产生集体材料属性。在这里，我们介绍了一个粗粒度的模型，使模拟网络的肌动蛋白丝，肌球蛋白马达，交联蛋白在生物相关的时间和长度尺度。我们证明，该模型定性和定量地捕捉实验观察到的一套趋势，包括统计的细丝波动，机械响应剪切，电机motilities，和网络重排。我们使用模拟来预测交联肌动蛋白网络的粘弹性标度行为，在肌球蛋白运动分析中表征肌动蛋白的轨迹，并开发序参量来测量模拟肌动蛋白网络的收缩性。因此，该模型可以作为一个平台的解释和设计的细胞骨架材料的实验，以及进一步发展的模拟纳入活性元素。
2017-05-28 physics.bio-ph
Towards the cellular-scale simulation of motor-driven cytoskeletal assemblies
细胞骨架--聚合物细丝、分子马达和交联剂的集合--是活性物质的基本例子，并且在细胞中组装成引导基本生物功能的细胞器。细胞骨架组装的模拟是模拟细胞过程和理解其惊人的材料特性的重要工具。在这里，我们提出了aLENS，一种新的计算框架，以克服传统的模拟方法的限制。我们的模型分子马达与交联动力学，坚持一个热力学能量景观，并整合系统动力学，同时有效地和稳定地执行之间的长丝-分子势的刚体排斥完全避免在施加空间约束。利用并行计算，我们模拟不同的混合物的几十万到几十万的细胞骨架丝和交联电机，重演自我涌现的现象，如束的形成和屈曲，并阐明如何电机类型，热波动，内应力，和限制决定的演变活性物质聚集体。
2022-06-09 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
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
Theoretical study of vesicle shapes driven by coupling curved proteins and active cytoskeletal forces
真核细胞具有灵活的形状，根据细胞执行的功能动态变化。使细胞膜变形为所需形状的一种机制是通过表达弯曲的膜蛋白。此外，这些弯曲的膜蛋白通常与细胞骨架的募集有关，然后细胞骨架施加使膜变形的主动力。曲率和活性之间的这种耦合先前在小变形和低维度的线性极限中进行了理论探索。在这里，我们探讨了不受限制的形状的囊泡，含有活性弯曲膜蛋白，在三维空间，使用蒙特卡罗数值模拟。蛋白质的活性是以向外推动膜的膨胀力的形式，这可能是由于在膜附近发生的肌动蛋白或微管聚合而引起的细胞骨架。对于具有各向同性凸形状的蛋白质，额外的膨胀力增强了它们聚集并形成膜突起（芽）的趋势。此外，我们还发现了另一个从项链型聚集体的变形球体到扁平煎饼状囊泡的过渡，其中弯曲的蛋白质排列在外边缘。第二次转变是由主动力驱动的，再加上自发弯曲，由此产生的配置可能有助于了解粘附和运动细胞的板状伪足的组织。
2018-12-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Coupling of Active Motion and Advection Shapes Intracellular Cargo Transport
细胞内货物运输可以由被动扩散、沿着细胞骨架细丝网络的主动马达驱动的运输以及由这种马达/货物运动夹带的流体流的被动平流引起。因此，主动和平流输送本质上是相关的，但不同的表示相同的底层网络结构耦合。这里使用的反应-对流-扩散系统表明，这种耦合影响的被动示踪剂在一个封闭的几何形状的运输和本地化。对于足够低的扩散，通过低反应动力学和结合和未结合状态的解耦，或通过仅具有弱方向性偏差的大部分无序的细胞骨架网络，来优化货物定位到靶区。这些通用的结果可能有助于合理化的细胞骨架网络的微妙功能，例如在苍蝇卵母细胞中观察到的微管。
2012-06-13 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Modelling cytoskeletal traffic: an interplay between passive diffusion and active transport
我们介绍了完全不对称的排斥过程与朗缪尔动力学（TASEP-LK）的网络作为一个微观模型的积极电机蛋白运输的细胞骨架，沉浸在扩散的细胞质。我们讨论了如何沿着网络和无限扩散的散装水库的积极运输之间的相互作用导致在各种尺度上的非均匀物质分布。我们发现三个制度的稳态运输，对应的规模的网络，个别路段或当地的网站。在低汇率下，网络中不同部分之间会产生强密度异质性。在这种情况下，必须考虑整个网络的拓扑复杂性来描述传输。相比之下，在中等汇率下，通过网络的传输是双向的，并且物理由单个段和局部拓扑决定。最后，对于很高的交换率，均相朗缪尔过程占主导地位的定态。我们引入网络的有效速率图来识别这些不同的制度。基于这种方法，我们开发了一个直观的，但一般的图片如何排除体积过程的复杂网络的定态可以理解的单段相图。
2012-12-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.CG
Applying a Gaussian networking theory to model motor-driven transport along cytoskeletal filaments
本文利用高斯网络理论模拟细胞骨架纤维上的肌动蛋白驱动运输，通过动态网络框架分析均质和非均质网络中的运输特性。
2025-12-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cytoskeletal network morphology regulates intracellular transport dynamics
在大多数真核细胞中，细胞内转运对于维持适当的细胞功能是必不可少的，主动转运的扰动导致几种类型的疾病。通过被动扩散和分子马达的主动运输相结合，将关键货物有效地递送到特定位置，所述分子马达沿着细胞骨架丝的网络弹道式移动。虽然电机为基础的运输是必要的，以克服细胞质拥挤和有限的范围内合理的时间尺度的扩散，拓扑结构的细胞骨架网络，调节运输效率和鲁棒性尚未建立。使用连续扩散模型，我们观察到，细胞运输所需的时间最小化时，网络是本地化的核附近。在明确纳入网络空间架构的模拟中，总细丝质量是网络渡越时间的主要驱动因素。然而，将货物重定向回细胞核的细丝陷阱引起了网络运输的巨大变化。在减少平均渡越时间方面，长丝极性比长丝取向更重要，并且在具有中间马达开和关速率的网络中优化了传输特性。我们的研究结果提供了重要的见解细胞内运输的功能约束下，细胞已经演变的细胞骨架结构，并通过合理的运输网络设计，在仿生系统中增强反应有潜在的应用。
2016-08-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
How crosslink numbers shape the large-scale physics of cytoskeletal materials
细胞骨架网络是细胞力学的主要驱动器，也是活性物质物理学的基础范例。在细胞骨架网络中，运动是由细丝通过分子尺度的马达相互推拉而在小尺度上产生的。这些局部驱动引起大规模的应力和运动。为了理解微观过程如何在更大尺度上产生自组织行为，重要的是要考虑什么机制介导系统中的长距离机械相互作用。在最近的文献中考虑了两种情况。第一种是相对稀疏的系统，其中大部分大规模的动量传递是由细胞骨架丝悬浮的溶剂介导的。第二种是长丝通过交联分子连接的系统。在这里，我们回顾这两个制度的物理之间的差异和共性。我们还调查了文献中的数字，使我们能够把这两个类中的任何一个材料。
2021-06-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Intracellular transport driven by cytoskeletal motors: General mechanisms and defects
电池是由连续能量供应驱动的强烈失衡系统。它们执行许多重要的功能，需要各种成分和细胞器的主动运输，一些很小，另一些很大。细胞骨架由三种类型的细丝组成，决定了细胞的形状，并在细胞运动中发挥作用。它还充当所谓的细胞骨架马达的道路网络。这些分子可以附着在细胞骨架丝上，进行定向运动，可能携带一些货物，然后分离。理解由分子马达驱动的细胞内转运是如何调节的是一个中心问题，特别是因为它的分解是一些神经元疾病如阿尔茨海默病的特征之一。本文综述了目前有关微管转运的知识。我们首先回顾了一些从实验中获得的生物事实，并提出了一些基于元胞自动机的建模尝试。我们从TASEP（完全不对称简单排除过程）的原始和变体的背景知识开始，然后转向更面向应用的模型。在解决微管为基础的运输一般，重点是在体外实验，并在运输大型货物的多个电机的合作效应，我们集中在轴突运输，因为它的相关性神经元疾病。这是一个挑战，以了解这种运输是如何组织的，因为它发生在一个封闭的环境中，并涉及几种类型的电机在相反的方向上移动。我们回顾了几个功能，可能有助于这种运输的效率，包括电机电机的相互作用和动力学的基础微管网络的作用。最后，我们讨论了一些尚未解决的问题。
2015-07-22 physics.bio-ph q-bio.SC
Comparison of explicit and mean-field models of cytoskeletal filaments with crosslinking motors
在细胞中，细胞骨架丝网络负责细胞运动、生长和分裂。细胞骨架中的纤维由交联的分子马达驱动和组织。在重构的细胞骨架系统中，运动活动是导致远离平衡现象的原因，例如主动应激、自组织流动和自发性细胞缺陷产生。马达和细丝之间的微观相互作用如何导致更大规模的动力学仍然没有完全理解。为了从运动丝相互作用来预测细胞骨架系统的整体行为，需要更高效的计算技术来建模运动丝相互作用。在这里，我们推导出一个粗粒度的层次结构的明确和连续模型的交联电机，绑定到和走丝对。我们比较了不同模型的稳态电机分布和电机引起的灯丝运动，并分析了它们的计算成本。所有三个模型同意以及在限制的快速电机绑定动力学。与显式或连续密度模拟相比，电机密度的截断矩扩展加快了$10^3$ - $10^6$的计算速度，这表明了一种更有效地模拟大型网络的方法。这些工具有助于在微米到毫米的长度尺度上进一步研究电机细丝网络。
2021-02-26 physics.bio-ph
Thermodynamic Control of Activity Patterns in Cytoskeletal Networks
我们的目标是确定的控制原则，适应性形成的非平衡结构的肌动球蛋白网络。我们建立了一个现象学模型，并预测，偏置的能量耗散的分子马达应有效地重整肌动蛋白丝之间的电机介导的相互作用。事实上，使用从大偏差理论的方法，我们证明，偏置能量耗散相当于调制电机的刚度，并导致在一个星束过渡。从模拟统计，我们提取的偏置参数和相应的归一化电机刚度之间的关系。本工作阐明了活性生物聚合物网络中能量耗散、有效相互作用和斑图形成之间的关系，提供了细胞骨架结构和动力学的控制原理。
2022-09-26 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
Exclusion processes on networks as models for cytoskeletal transport
我们提出了一个研究网络上的排斥过程作为模型的复杂的运输现象，特别是主动运输的马达蛋白沿细胞骨架。我们认为，网络上的主动输运过程自发地发展在不同尺度上的密度不均匀性。这些异质性可以通过多种多尺度因素来调节，例如排斥相互作用的相互作用、传输过程的非平衡性质和网络拓扑结构。我们展示了如何有效率的方法，可以通过复杂的网络从一个单一的段的相图的运输过程的稳态的理解。对于排斥过程，我们合理化的定态可以分为三个定性不同的制度：一个均匀的阶段，以及非均匀的网络和段阶段。特别地，我们在这里提出了一个非平衡统计物理的三个范例模型的网络上的定态的研究：完全不对称的简单排斥过程，部分不对称的简单排斥过程和完全不对称的简单排斥过程与朗缪尔动力学。通过这些模型，我们可以在平衡（由于沿着网络的双向运动或无限扩散）和沿着网络的非平衡主动定向运动之间进行插值。对这些模型的研究进一步阐明了活动现象中密度不均匀性的出现。
2013-04-06 cond-mat.stat-mech nlin.CG physics.bio-ph
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
Tailoring collective motion of kinesin-driven microtubules via topographic landscapes
生物分子马达蛋白通过消耗从ATP水解获得的化学能来产生力，是组织活细胞中广泛的细胞骨架结构的关键。这种细胞骨架结构的控制有利于可编程蛋白质图案化;然而，由于用于控制斑图形成的工程方法的不发达，我们目前的知识是有限的。在这里，我们展示了定制的组装模式的驱动蛋白马达驱动的微管（MT）通过设计制造的微孔的边界形状。我们发现沿微孔壁的MT束结构和垂直于壁的桥接结构。通过自推进杆理论的证实，我们进一步表明，由边界形状定义的MT的排列决定了组装图案的过渡，为在微通道中重建桥结构提供了蓝图。我们的研究结果提供了一个几何规则来定制的纳米技术应用的细胞骨架和马达蛋白的自组织。
2021-10-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
Motor proteins traffic regulation by supply-demand balance of resources
在细胞和体外试验中，参与生物运输过程的马达蛋白的数量远非无限。细胞骨架结合位点与相同的有限马达储存器（细胞溶质或流动室）接触，因此竞争募集可用的马达，潜在地耗尽储存器并影响细胞骨架转运。在这项工作中，我们提供了一个理论框架来研究，分析和数值，如何电机密度分布和拥挤沿细胞骨架丝依赖于他们的结合位点的竞争电机。我们提出了两个模型，其中有限的进行性马达蛋白积极推进沿细胞骨架丝和不断交换的马达池。我们首先看均匀水库，然后检查周围介质中的自由电机扩散的影响。我们认为作为一个参考情况，最近在体外实验设置驱动蛋白-8电机绑定和移动沿微管细丝在流动室。我们研究如何拥挤的线性马达蛋白移动的细丝可以调节供应（马达蛋白在流动室的浓度）和需求（聚合的微管蛋白异二聚体的总数）之间的平衡。我们目前的分析结果的密度分布的绑定电机，水库枯竭，并提出新的相图，提出了形成的堵塞的电机蛋白的长丝作为两个可调的实验参数的函数：电机蛋白浓度和浓度的微管蛋白聚合成细胞骨架丝。大量的数值模拟证实了实验范围内的参数的分析结果，也解决了水库中的马达蛋白扩散的影响。
2014-09-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
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
Active regeneration unites high- and low-temperature features in cooperative self-assembly
细胞骨架丝能够在没有外部供应的化学能的情况下自组装，但是其生物功能所必需的快速周转率需要恒定的ATP或GTP水解通量。这同样适用于从细胞膜形成囊泡的二维蛋白质组装体，其依赖于ATP水解酶在完成该过程后快速分解。最近的观察表明，核仁，p颗粒和其他三维无膜细胞器也可能需要消耗化学能来维持它们的流动性。协同结合在这些高维结构的动力学中起着至关重要的作用，但在一维细胞骨架组装的经典模型中却没有。在这封信中，我们提出了一个一致的模型，积极再生与合作组装，并计算最大周转率和最小拆卸时间作为化学驱动力和结合能的函数。我们发现，这些驱动结构类似于不同的平衡态以上和以下的成核势垒。特别是，我们表明，大结合能下的最大加速度与低温成核动力学的无限温度的局部波动。
2019-08-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Pulsatory patterns in active viscoelastic fluids with distinct relaxation time scales
发育中的组织需要在空间和时间上形成自己的模式。一个普遍的机制，以实现这是脉动主动应力产生的肌动蛋白细胞骨架。活性凝胶理论是模拟细胞骨架斑图形成动力学的有力工具。在理论模型中，肌动蛋白细胞骨架的粘弹性性质的影响迄今为止只被调查的纳入一个粘弹性弛豫时间尺度。在这里，使用一个极小模型的活性凝胶理论与一个单一的分子调节器，我们表明，不同的剪切和面积弛豫时间足以驱动脉动动力学在活性表面。
2023-02-20 physics.bio-ph
Stochastic modelling of collective motor protein transport through a crossing of microtubules
真核细胞中的细胞骨架起着几个至关重要的作用。在细胞内运输方面，马达蛋白使用细胞骨架丝作为骨架，它们可以沿着骨架主动运输生物货物，例如携带生化反应物的囊泡。这些细丝之间的交叉是一个关键因素，因为它们可能改变这种有效载荷的目的地。虽然已知马达蛋白在这样的交叉点上表现出丰富的行为，但后者迄今为止仅被建模为简单的分支点。在这里，我们探讨了一个模型，两个微管之间的交叉保留的个人轨道组成的原丝，我们构建了一个示意图表示的运输路径。我们研究集体运输例示的完全不对称的简单排斥过程（TASEP），并提供了一个全面的分析的运输功能和相关的相图，通过一个通用的平均场的方法，我们确认通过基于粒子的随机模拟。特别是，我们表明，通过这样一个复合交叉运输不能近似从一个简单的分支点粗粒度的结构。相反，它产生了全新的和违反直觉的特征：交通流的基本电流密度关系不再是单值函数，而且根据它是在交叉口的上游还是下游观察到的而有所不同。我们认为，这些新的功能可能是直接相关的解释实验测量。
2020-06-18 physics.bio-ph q-bio.SC
Localized spatiotemporal dynamics in active fluids
本文研究了活性流体中收缩性 mechanochemical 系统自发产生的局域空间模式，发现其具有振荡和类混沌等内在时空动力学，并探讨了其物理起源与分岔结构。
2024-09-24 nlin.PS physics.bio-ph
Active Transport as a Mechanism of Microphase Selection in Biomolecular Condensates
Institute of Physics, Johannes Gutenberg University Mainz（美因茨约翰内斯·古腾堡大学物理研究所）；Institute of Molecular Physiology, Johannes Gutenberg University Mainz（美因茨约翰内斯·古腾堡大学生理研究所）；Institute of Molecular Biology (IMB), Mainz（美因茨分子生物学研究所）
研究提出通过主动运输机制调控生物分子凝聚体大小和组织，揭示运输驱动的长程排斥作用如何控制凝聚体形成，提供了一种可编程的凝聚体组织方法。
2026-08-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-organization and shape change by active polarization in nematic droplets
细胞内发生的积极力量可以驱动涉及自发组织和形状变化的关键生物过程，如细胞分裂。最近在体外实验的细胞骨架丝和电机，自组织和分裂的微滴的动机，我们提出了一个最小的流体动力学模型，结合了非平衡动力学的电机丝的相互作用与平衡微相分离。马达在液滴内组织，并将细丝结构化成极化的星状缺陷。在大的运动活动中，它们甚至可以使液滴变形或分裂，或形成多星状液滴链。我们预测的相图概括了这些实验观察到的形状。
2021-02-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanical activity enables patterning and discrimination at the immune synapse
本研究构建耦合受体结合动力学、膜变形等的最小连续介质模型，发现非平衡机械力可调控免疫突触模式形成与抗原亲和力识别，揭示免疫细胞通过细胞骨架重塑调控抗原识别的机制。
2025-10-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Active Inter-cellular Forces in Collective Cell Motility
汇合的细胞片的集体行为受到极性力和细胞间力的强烈影响，极性力是通过细胞骨架推进产生的，而细胞间力是通过细胞间连接的相互作用介导的。我们使用相场模型来探索这两种贡献之间的相互作用，并比较当细胞的极性与（i）它们的伸长主轴对齐时，（ii）它们的速度，以及（iii）当极性方向执行持续的随机行走时细胞片的动力学。在所有三种情况下，我们观察到一个急剧的转变，（其中细胞重排被强烈抑制）到液态当极性力或细胞间力增加时，细胞可以相对于彼此自由移动。此外，对于情况（ii），我们观察到一个额外的动力学状态，植绒（固体或液体），其中大多数细胞在同一方向上移动。在强极性力的情况下可以看到群集状态，但随着细胞间活动强度的增加，群集状态被破坏。
2020-05-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Non-equilibrium fluctuations of a semi-flexible filament driven by active cross-linkers
细胞骨架是一种由半柔性细丝组成的非均匀网络，参与了多种多样的生物活性过程。尽管细胞骨架丝可能非常坚硬并嵌入致密且交联的网络中，但研究表明，在细胞中，它们通常在所有长度尺度上表现出显着的弯曲。在这项工作中，我们提出了一个模型的半柔性长丝变形的不同类型的交联剂，可以计算和调查的弯曲谱。我们的模型允许耦合的半柔性聚合物的变形的演变与随机动态的链接器施加横向力到长丝上。我们观察到一个$q^{-2}$依赖的弯曲光谱的一些生物相关的参数和在一定范围内的波数$q$。然而，一般来说，空间局部强迫和非热力动力学都引入偏离热类$q^{-2}$谱。
2016-09-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Length Regulation Drives Self-Organization in Filament-Motor Mixtures
细胞骨架网络形成复杂的细胞内结构。在这里，我们研究了一个极小模型，其中电机作为解聚酶，从而调节灯丝长度的混合物。结合基于代理的模拟和流体动力学方程，我们表明，资源有限的长度调节驱动细丝簇的形成，尽管没有机械细丝之间的相互作用。即使个体的取向保持固定，集体的细丝取向出现在簇中，与它们的界面正交对齐。
2021-09-10 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Activating membranes
我们提出了一个一般的动态理论的膜耦合到肌动蛋白皮质含有聚合丝与积极的应力和电流，并证明了积极的膜动力学[物理评论快报\textbf{84}，3494（2000）]和自发的形状振荡出现从这个描述。我们还考虑了膜的不稳定性和图案诱导的存在下，极取向的相关性在膜的切平面的细丝。我们预测的动力学特征应该在各种细胞环境中看到，包括膜-细胞骨架复合物和细胞骨架提取物与合成囊泡的动力学。
2014-05-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Cooperative molecular motors moving back and forth
本文利用两态棘轮模型研究了极性随机交替的细胞骨架轨道上分子马达的双向协同运动。我们的模型基于先前提出的模型[Badoual等人，{ \em Proc. Natl. Acad. Sci. USA} { \bf 99}，6696（2002）]中的方法，并且此外，考虑了由于行走马达的联合作用而在细胞骨架轨道中产生的弹性张力所引起的协同效应。我们表明，无论是计算和分析，这种额外的协同效应导致的双向运动的特征反转时间显着减少，特别是在系统中有大量的电机。我们还发现，双向运动只发生在（几乎）a极轨道上，而即使是轻微的极轨道上的运动是单向的。我们认为，这些意见的起源是敏感的依赖于合作动力学之间的差异，通常工作在和反对瞬时运动方向的电机的数量。
2009-08-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Epithelial Wound Healing Coordinates Distinct Actin Network Architectures to Conserve Mechanical Work and Balance Power
具有不同形态和细胞骨架结构的细胞如何调节其机械行为以驱动组织内的强大集体运动，目前还知之甚少。在体外上皮单层内的伤口修复期间，细胞协调分支和成束肌动蛋白网络的组装，以调节集体细胞运动产生的总机械功。使用牵引力显微镜，我们表明，肌动蛋白网络结构的平衡优化伤口闭合率和机械功的大小。这些值受到单层所施加的有效功率的限制，该功率是保守的并且独立于肌动蛋白结构。使用细胞为基础的物理模型，我们表明，机械工作的速率是由单层的肌动蛋白网络结构和细胞-基底摩擦的差异调节之间的转换是有限的。这些结果和我们提出的分子机制为细胞如何集体协调其非平衡行为以动态调节组织尺度的机械输出提供了一个强大的定量模型。
2018-06-18 physics.bio-ph
Collective dynamics of microtubule-based 3D active fluids from single microtubules
驱动蛋白驱动的、基于微管的3D活性流体的自组织依赖于单个微管的集体动力学。然而，宏观流体流动和微管的微观运动之间的联系仍然不清楚。在这项工作中，单微管的运动的特点是通过二维滑动分析，并与三维活性流体的流动进行比较。虽然这两个系统的规模相差1,000倍，但两者都是由进行性、非进行性或两种分子马达蛋白的相等混合物驱动的。为了寻找两个系统之间的动态相关性，通过改变温度和ATP浓度来调节运动活动，并比较两个系统的变化。马达的持续合成能力发挥了重要作用，在活跃的流体流动，但只有当流体几乎不动，否则，流量占主导地位的流体动力学阻力控制的样本大小。此外，虽然发动机的热反应导致主动流体随着温度的升高而流动得更快，但这种温度依赖性可以通过引入温度变化的耗尽剂来逆转，强调耗尽剂在设计主动流体的温度响应中的潜在作用。活性流体的温度响应几乎是立即的（<10秒）。这样的特性使得能够用温度开关控制活性流体。总的来说，这项工作不仅澄清了温度在活跃流体活动中的作用，而且揭示了活跃流体的集体动力学与其组成的单个微管的动力学之间关系的基本原理。
2019-04-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Actively crosslinked microtubule networks: mechanics, dynamics and filament sliding
细胞骨架网络是活性物质的基础实例，并且是细胞中自组织结构的中心。在体内，这些网络是活性的和高度交联的。将它们的大尺度动力学与其组分的性质联系起来仍然是一个未解决的问题。在这里，我们研究了由微管和XCTK 2驱动蛋白马达制成的体外系统，该系统形成对齐的活性凝胶。使用光漂白，我们证明了凝胶的对齐微管，由电机驱动，不断地滑动过去的速度独立于当地的极性。在纺锤体中也观察到这种现象，但仍无法解释。我们从微观角度出发，推导出一个由分子马达交联的粗粒化微管凝胶的一般框架。利用微管-微管耦合和驱动蛋白的力-速度关系，该理论自然地解释了实验结果：马达在极性变化的区域产生主动应变率，这使得相反极性的微管能够在不对材料施加应力的情况下相互滑过。
2018-12-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active microphase separation in mixtures of microtubules and tip-accumulating molecular motors
微管和分子马达的混合物形成具有不同动力学行为的活性材料，这些行为根据其成分的分子性质而变化。我们绘制了微管和尖端累积驱动蛋白-4分子马达的非平衡相图。我们发现，驱动蛋白-4可以驱动全球收缩或顺从性样伸展动力学，这取决于微管和捆绑剂的浓度。我们还观察到一系列的空间异质非平衡相，包括有限大小的径向星，一维蠕虫状链，扩展的二维双层，和系统跨越三维活性泡沫。最后，我们描述了复杂的动力学途径，产生微相分离的结构和产生的内在挫折之间的取向顺序的丝状微管和尖端积累分子马达的位置顺序。我们的工作表明，在细胞骨架网络中的主动应力和阶段的形式不仅取决于单个电机和细丝的属性，但也取决于成分的浓度和空间排列。
2021-08-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Stabilization of overlapping biofilaments by passive crosslinkers
细胞骨架丝网络的形成、维持和重组对于许多细胞过程是必不可少的。虽然由马达蛋白产生的主动力所起的关键作用已被广泛研究，但直到最近才意识到由非酶交联剂施加的被动力的重要性。主动蛋白和被动蛋白之间的相互作用表现为自身，例如，在细胞分裂期间，由重叠微管形成的纺锤体结构受到由交联马达蛋白产生的主动滑动力和由被动交联剂（如Ase1和PRC1）施加的被动力。我们提出了一个极小模型来描述一对反平行的重叠微管的稳定性行为，导致主动马达和被动交联剂之间的竞争。我们得到的稳定图，其特征在于形成稳定的重叠的MT对，确定控制生物参数，确定其稳定性，并研究电机和被动交联剂之间的相互作用对这些重叠丝的稳定性的影响。
2018-08-28 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
Collective dynamics of active filament complexes
生物丝的网络对于支持各种生物功能的细胞结构的形成是必不可少的。在大多数情况下，以前的研究已经调查了杆状生物细丝的集体动力学;然而，实际亚细胞成分的形状往往更复杂。在这项研究中，我们考虑了一个由两个活性细丝组成的活性物体，这代表了从杆状生物细丝到复杂形状生物细丝的发展。具体而言，我们数值评估的集体行为，这些活动的对象在两个维度，并观察到几种类型的动态依赖于密度和角度的两个灯丝的形状参数的对象。在观察到的集体动力学中，我们首次引入了一个移动密度带，我们将其命名为“移动近晶”。通过分析单个物体的轨迹以及它们之间的相互作用，这项研究展示了具有复杂形状的活性生物丝之间的相互作用如何以非平凡的方式产生集体动力学。
2016-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active liquid crystals powered by force-sensing DNA-motor clusters
细胞骨架活性向列体表现出惊人的非平衡动力学，由耗能的分子马达提供动力。为了深入了解这些材料的结构和力学，我们设计了可编程簇，其中驱动蛋白马达通过双链DNA接头连接。基于DNA的簇为活性向列体提供动力的效率取决于驱动蛋白马达的步进动力学和聚合物接头的化学结构。荧光各向异性测量表明，电机集群，像丝状微管，表现出当地的有序。DNA连接子的性质使得能够设计力传感簇。当连接器上的负载超过临界阈值时，集群会崩溃，停止产生主动应力并减缓系统动力学。荧光读数揭示了产生丝间滑动的结合簇的分数。反过来，这产生了驱动蛋白马达沿着微管步进时所经历的平均负载。DNA马达簇为理解纳米级分子马达集体产生介观主动应力的分子机制提供了基础，介观主动应力又为主动向列相的宏观非平衡动力学提供了动力。
2021-06-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Gliding microtubules exhibit tunable collective rotation driven by chiral active forces
本研究通过实验和模拟揭示，马达施加的主动力中的手性可在无形状手性时驱动微管滑行中集体旋转，且可通过调节丝刚度调控旋转速度与方向。
2025-07-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Elasticity-driven collective motion in active solids and active crystals
我们介绍了一个简单的模型，自推进剂连接线性弹簧，没有明确的对齐规则。在临界噪声水平以下，代理自组织成一个集体平移或旋转组。我们推导了弹性薄板近似下平移态的解析稳定性条件。我们提出了一种基于弹性的机制，通过将自推进能量级联到低能模式来驱动收敛到集体运动。鉴于其简单性和普遍性，这种机制可以在各种生物和机器人群体中发挥相关作用。
2013-01-11 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Tension and chemical efficiency of Myosin-II motors
最近的实验表明，来自肌球蛋白II家族的分子马达作为交联诱导细胞骨架网络中的主动张力。在这里，我们修改的布朗棘轮模型，以前研究的上下文中的主动运输沿聚合物轨道，在设置类似于一个电机在聚合物网络，还考虑到静电的影响，在电机头的变化。我们探索重要的机械量，并表明这样的模型也能够mechanosensing。最后，我们介绍了一种新的效率的基础上产生的多余的热量的化学循环，这是直接相关的主动张力电机施加。对于具有不同数量磁头的电机，化学效率差异很大，而它们的机械性能在质量上保持相似。对于头部数量较少的马达，当它们受到挫折时，化学效率最大，这是在较大马达中没有发现的特征。
2017-09-28 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Curvature instability of an active gel growing on a wavy membrane
本文建立耦合黏性活性肌动蛋白凝胶、膜变形与曲率敏感成核因子募集的理论模型，揭示曲率反馈可使膜线性失稳并自发形成细胞突起。
2025-10-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Variational formulation of active nematics: theory and simulation
针对生物准二维系统的活性向列相动力学，基于Onsager不可逆热力学变分形式主义开发理论与计算框架，推导控制方程及有限元方案，验证了不可压缩模型并提出密度依赖型可压缩模型，为理解相关生物系统提供工具。
2024-12-02 physics.bio-ph
Biomedical active matter: Emergence and breakdown of collective functionalities
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；University of Warsaw（华沙大学）；University of Warwick（华威大学）
本文探讨生物医学活性物质中集体功能的涌现与崩溃，分析了自组织、运动、感知、适应等核心机制，并提出通过微机器人群、生物启发材料等技术治疗相关疾病的方法。
2026-03-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Geometry-Dependent Defect Merging Induces Bifurcated Dynamics in Active Networks
本研究通过实验与理论结合，发现活性微管-马达网络中缺陷合并取决于裂纹初始角度，存在临界角导致合并或张开的分叉动力学，并构建弹性杆模型预测该临界角。
2025-09-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
$Rheomergy$: Collective behavior mediated by active flow-based recruitment
在一群相互交流的生物体中，信号传播的物理学原理既能实现也能限制个体层面上的活跃激发如何达到、招募和导致集体模式。受蜜蜂释放信息素的平面群中的模式的启发，并使用扇形流来招募更多的蜜蜂，我们通过基于主动流的招募开发了一个模式化的理论框架。我们的模型概括了著名的Patlak-Keller-Segel模型的扩散主导的聚集，并导致更复杂的相空间的模式跨越两个无量纲参数，测量缩放的刺激/活动和缩放的趋化反应。这些共同决定了信号通信的功效，导致与观察一致的各种迁移和聚集模式。
2022-02-23 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Collective dynamics of soft active particles
我们提出了一个模型的软活性粒子，导致了丰富的阵列的集体行为也发现在密集的生物群的细菌和其他单细胞生物。我们的模型只使用局部相互作用，如Vicsek型最近邻对齐，短程排斥和局部边界项。改变这些相互作用的相对强度会导致迁移群、旋转群和堵塞群，以及表现出奔跑和翻滚运动的群，在迁移和旋转或堵塞状态之间交替。有趣的是，虽然迁移的群体比单个粒子移动得慢，但扩散常数可以大三个数量级，这表明集体运动可能非常有利，例如，在寻找食物时。
2016-10-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
