Asymptotic Analysis of Microtubule-Based Transport by Multiple Identical Molecular Motors
我们描述了一个系统的随机微分方程（SDES）模型之间的相互作用进行性分子马达，如驱动蛋白和动力蛋白，和生物分子货物，他们拖作为微管为基础的细胞内运输的一部分。我们表明，经典的实验环境适合在一个参数范围内，这是定性不同的条件下，人们期望在活细胞中找到。通过渐近分析我们的系统的SDES，我们开发了一种方法，用于应用在体外观察的非线性响应的电机上所连接的货物上引起的力进行分析预测的两个参数的制度，迄今为止，逃避直接的实验观察：1）高粘度的体内运输和2）动力学时，多个相同的电机连接到货物和微管。
2011-11-02 math.PR physics.bio-ph q-bio.SC
Cooperative Protofilament Switching Emerges from Inter-Motor Interference in Multiple-Motor Transport
在活细胞内，货物的运输是由一组分子马达完成的。这种集体运输可以利用从运动间相互作用中产生的机制，其方式尚未完全理解。在这里，我们结合实验测量的两个驱动蛋白运输的理论框架，以调查的功能性后果，个别电机功能和集体货物运输的电机间的相互作用。相反，驱动蛋白的低回避频率时，目前作为一个单一的电机，正好有两个驱动蛋白每货物，我们观察到大量的运动垂直于微管。我们的模型捕获了驱动蛋白的表面相关模式，该模式只能通过组中的运动间干扰来访问，其中驱动蛋白沿着微管表面扩散并在原丝之间快速“跳跃”而不从微管解离。重要的是，每个驱动蛋白动态地在主动步进模式和这种弱表面相关模式之间转换，从而增强微管表面的局部探索，可能使细胞货物克服大分子拥挤并沿着微管轨道导航障碍物而不牺牲整体行进距离。
2016-10-01 q-bio.BM q-bio.SC
The role of microtubule movement in bidirectional organelle transport
我们研究了微管运动在果蝇S2细胞双向细胞器运输中的作用，并表明EGFP标记的过氧化物酶体在细胞中作为电机诱导的，嘈杂的细胞骨架运动的敏感探针。多个过氧化物酶体在大的时间窗口内一致移动，并显示与微管尖端位置的相关性，表明微管在纵向方向上的快速波动。我们报告的第一个高分辨率测量纵向微管波动进行跟踪这样的对共同移动的过氧化物酶体。由此产生的图片显示，电机依赖的纵向微管振荡显着有助于货物沿微管运动。因此，与传统观点相反，细胞器运输不能仅仅用沿着固定微管轨道的货物运动来描述，而是包括轨道运动的强大贡献。
2008-08-12 physics.bio-ph q-bio.SC
Tunable intracellular transport on converging microtubule morphologies
一种常见的细胞骨架形态包括多个会聚的微管，其负端由细胞内部的微管组织中心（MTOC）收集和稳定。这种排列使得结合到微管的货物的弹道运输成为可能，动力蛋白介导的朝向MTOC的运输和驱动蛋白介导的远离MTOC的运输两者，穿插有未结合的货物-马达复合物的扩散。MTOC的空间和时间定位允许朝向和远离细胞内特定细胞器和位置的双向运输，以及动力蛋白运输货物的隔离和随后的分散。在海洋技术选择委员会附近，这种运输的动力学、效率和可调性的一般原则尚未完全了解。为了解决这个问题，我们开发了一个一维模型，其中包括对吸引子（如MTOC）的平流运输，以及允许颗粒到达吸收边界（如细胞膜）的扩散运输。我们计算了货物到达边界的平均首次通过时间（MFPT），以衡量隔离（大MFPT）和扩散扩散（低MFPT）的有效性。MFPT经历了幅度的急剧增长，在接近体内值的货物附着/脱离速率的窗口上从低MFPT状态（分散到隔离）过渡到高MFPT状态。我们发现，增加附着或分离率，而固定的其他，可以导致最佳的分散时，吸引子放置不对称。最后，我们描述了一个罕见的事件政权，逃逸的位置是指数敏感的吸引子定位。我们的研究结果表明，结构，如MTOC允许敏感控制的空间和时间的特点，运输和相应的功能在生理条件下。
2023-01-03 cond-mat.stat-mech q-bio.CB q-bio.SC
Tuning Multiple Motor Travel Via Single Motor Velocity
基于微管的分子马达通常以小组形式工作以在细胞中运输货物。理解转运（及其在体内的调节）的一个关键问题是确定基于多电机的运动对各种单分子特性的敏感性。虽然单电机的行程距离和微管结合率已被证明有助于货物旅行，单电机速度的作用还有待探讨。在这里，我们重铸了以前的理论研究，并明确了速度对货物运输的潜在贡献。我们测试这种可能性的实验，并证明了一个强大的负相关性之间的单电机速度和货物运输由两个电机驱动的旅行。因此，我们的研究发现了一个以前不受重视的作用，单电机速度在调节多电机运输。
2016-10-04 q-bio.BM q-bio.SC
Kinesin Motor Transport is Altered by Macromolecular Crowding and Transiently Associated Microtubule-Associated Proteins
泡状物质、细胞器和其它大分子的细胞内运输是将大型物品移动通过拥挤且不均匀的细胞环境的必要过程。在努力剖析拥挤和日益复杂的细胞环境对单个马达蛋白运输的基本影响，我们进行了体外重建实验，在拥挤剂和瞬时微管相关蛋白的存在下，单个驱动蛋白-1马达在微管上行走，更紧密地模仿细胞环境。由于惰性聚合物的大分子拥挤引起增强运行长度的电机，但表现出增加的趋势，非特异性电机协会和扩散，最有可能是由于耗尽的相互作用。我们发现，瞬时结合的相关蛋白减慢了向前运动，但并没有显着影响协会的时间，在以前报道的稳定相关的微管相关蛋白，如神经元蛋白tau的障碍特性相反。在日益复杂的重组环境中的分子马达的运输特性的这种研究是重要的，以阐明细胞内货物运输的基本过程的基本生物物理学原理。
2014-09-11 q-bio.BM q-bio.SC
Theoretical analysis of cargo transport by catch bonded motors in optical trapping assays
本文通过理论和随机模拟，分析光学捕获实验中捕获键动力蛋白马达（单个及团队）运输货物的特性，发现捕获键增强持续运动并导致首次通过时间非单调，多马达时产生重入现象。
2023-11-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Limited processivity of single motors improves overall transport flux of self-assembled motor-cargo complexes
单个驱动蛋白分子马达在解离前可以沿着微管（MT）进行平均几微米的连续运动。然而，发生运输的细胞长度尺度是几百微米或更大。为什么看似不可靠的发动机被用来运输细胞货物仍然知之甚少。我们提出了一个新的理论，如何低的持续性，一个单一回合的定向运动的平均长度，可以提高细胞运输时，电机和货物必须首先扩散自组装成复合物。我们采用随机建模，以确定对整体货物运输流量的持续性的影响。我们表明，在广泛的生理相关条件下，拥有“无限”的持续合成能力并不能最大限度地提高沿MT的通量。相反，我们发现低的持续合成能力，马达与MT的弱结合是最佳的。这些结果揭示了持续合成能力和运输效率之间的关系，并为低运动持续合成能力的生理益处提供了新的理论。
2019-02-26 q-bio.SC
Collective cargo hauling by a bundle of parallel microtubules: bi-directional motion caused by load-dependent polymerization and depolymerization
微管（MT）是直径约25 nm的中空管。管的两端是不同的，并被指定为“正”和“负”端。出于集体推和拉施加的一束MT在活细胞中的染色体分离过程中，我们在这里开发了一个非常简化的理论模型的一束平行的动态MT。在束中的所有MT的正端被永久地附着到一个可移动的“墙”的设备，其详细的结构是没有明确地在我们的模型中处理。唯一的要求是该装置允许每个MT在正端聚合和解聚。尽管不存在外力和MT之间的直接横向相互作用，但附接到壁的聚合MT组产生对抗解聚MT组的载荷力，反之亦然;对抗组的载荷由该组的成员均等地分担。MT之间的这种间接相互作用产生了丰富多样的集体动力学的可能状态，我们已经确定了计算机模拟模型在不同的参数制度。由聚合动力学的负载依赖性引起的货物的双向运动是“原理证明”，即染色体在细胞分裂之前的双向运动不一定需要马达蛋白的主动参与。
2015-01-09 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Spatial Organization of the Cytoskeleton enhances Cargo Delivery to Specific Target Areas on the Plasma Membrane of Spherical Cells
细胞内转运对于细胞的正常功能和存活至关重要。货物（蛋白质、囊泡、细胞器等）通过分子马达辅助的沿细胞骨架丝的运输从其产生位置转移到其靶位置。运输效率受到细胞骨架的空间组织的强烈影响，细胞骨架构成了一个不均匀的复杂网络。在具有中心体的细胞中，微管从中心微管组织中心向细胞周边呈放射状生长，而肌动蛋白丝在细胞膜下形成密集的网状结构，即肌动蛋白皮质，具有广泛的取向范围。由于拥挤的细胞质中的分离和再附着过程的收缩交叉节点或周期，沿着细丝的新兴弹道运动经常被中断。为了研究由细胞骨架的特定空间组织建立的搜索策略的效率，我们制定了一个具有间歇性逮捕状态的随机速度模型。通过大量的计算机模拟，我们分析了窄逃逸问题的平均首次通过时间对细胞骨架的结构特征，运动特性和在每个状态下花费的时间分数的依赖性。我们发现，一个不均匀的架构与一个小宽度的肌动蛋白皮层构成了一个有效的细胞内搜索策略。
2016-11-16 physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic modeling of cargo transport by teams of molecular motors
许多不同类型的细胞货物通过分子马达沿微管进行双向运输。这种货物马达系统的运动已经在体内实验中被表征为具有相当持久的方向性的进行性。为了探索这种运动的起源，人们提出了不同的理论方法。Müller等人提出的一种有效的理论方法，将货物动力学描述为不同类型发动机之间的拔河比赛。Kunwar等人最近提出了一种替代方法，他更详细地考虑了发动机和货物之间的耦合。基于这个框架，我们介绍了一个模型，考虑单电机的位置，我们在连续时间传播。此外，我们分析了可能的影响，在以前的出版物中使用的离散时间更新计划对系统的动态。
2014-07-16 physics.bio-ph q-bio.SC
Effective transport statistics for cooperative molecular motor ensembles with tether slack
The University of Scranton（斯克兰顿大学）；Arizona State University（亚利桑那州立大学）；Rensselaer Polytechnic Institute（伦斯勒理工学院）
本文针对带松弛系绳的双分子马达集合体输运模型，修改渐近分析并提出双指数参数化方法，使理论统计与模拟结果吻合，为细胞内输运建模提供改进方案。
2026-10-14 q-bio.SC
A model for motor-mediated bidirectional transport along an antipolar microtubule bundle
细胞器的长距离双向运输依赖于马达蛋白驱动蛋白和动力蛋白。使用从真菌模型系统获得的定量数据，我们以前开发的ASEP模型的电机沿单极微管（MT）附近的细长菌丝细胞的细胞末端（本文称为“单极部分”）的双向运动。然而，最近在该系统中的定量活细胞成像已经证明，马达及其内体货物的长程运动性主要沿着细胞的中心部分（本文称为“双极部分”）内的延伸的反极微管束发生。动力蛋白和驱动蛋白-3马达协调它们的活动以双向方式移动早期内体（EE），其中动力蛋白沿着靠近细胞极的单极部分介导逆行运动，而驱动蛋白-3负责沿着反极部分的双向运动。在这里，我们扩展我们的建模方法来模拟沿反极微管束的双向运动。在我们的模型中，货物（颗粒）改变方向的每个MT与转向率$Ω$和MT相互连接在负端，在那里颗粒可以跳跃MT之间的速率$q_1$（障碍诱导切换率）或$q_2$（端诱导切换率）。通过数值模拟和平均场近似，我们研究了不同总密度$Θ$的MT的粒子分布。我们发现，即使$Θ$很低，系统也可以在正端和负端附近的密度分布中表现出由粒子碰撞引起的激波。我们还讨论了如何切换率$q_{1,2}$的影响类型的电机，占主导地位的积极运输束。
2012-11-21 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Cargo transportation by two species of motor protein
本文讨论了两种具有不同内在方向性的马达蛋白在活细胞中转运货物的运动。类似于单个马达运动，货物沿着微管随机向前和向后移动。最近的实验发现，两种运动物种的货物运输具有记忆性，它不会像预期的那样频繁地改变方向，这意味着它的前进和后退的速度取决于它以前的运动轨迹。假设货物只有最小的记忆，即其前进方向只取决于其最后一步的方向，本文详细分析了两种情况下的货物运动：{ \bf（I）}货物在恒定外载荷下的运动和{ \bf（II）}货物在一个固定光阱中的运动。由于记忆的存在，对于第一种情况，货物可以保持长距离的同一方向移动。对于第二种情况，货物将在陷阱中振荡。振荡周期和振荡幅度均随电机正向步进率的增大而减小，但均随陷阱刚度的增大而减小。货物的最可能的位置，找到振荡货物的概率是最大的，可能是相同的，也可能是不同的陷阱中心，这取决于两个电机种类的步进率。同时，如果电动机是鲁棒的，即它们的前向与后向步进率比高，则可能存在两个这样的最可能的位置，分别位于陷阱中心的两侧。分析了在给定位置发现货物的概率、货物处于前/后运动状态的概率以及货物到达给定位置或给定状态的各种平均首次通过时间。
2012-11-06 physics.bio-ph q-bio.SC
Swirling Instability of the Microtubule Cytoskeleton
在细胞质流动的细胞现象中，沿着微管网络携带货物的分子马达夹带周围的液体。由单个马达产生的微微牛顿力足以使长微管变形，就像许多移动马达产生的集体流体流动一样。在果蝇$D.~melanogaster$卵母细胞发育过程中的流动研究表明，从空间无序的细胞骨架，支持流动只有短程的相关性，一个有序的状态与细胞跨越旋涡流的过渡。为了验证这一假设，即这种转变是由流体-结构相互作用驱动的，我们研究了离散细丝模型和粗粒度的连续理论的电机上移动的可变形的细胞骨架，这两者都表现出$swirling~instability$自发大规模的旋转运动，观察到的。
2020-08-27 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Influence of direct motor-motor interaction in models for cargo transport by a single team of motors
我们从理论上分析了排除体积之间的相互作用的影响，对多个电机驱动的货物的动力学。该模型考虑了许多共同点与其他最近提出的文献中，除了电机和电机回步之间的直接相互作用。货物被假定为遵循连续朗之万动力学，而个别电机发展以下的Monte Carlo算法的基础上实验访问的概率离散向前和向后的跳跃，附件和分离率。货物和发动机之间的连接被认为是非线性弹簧。通过数值模拟，我们计算相关的数量表征系统的动力学特性，我们比较的结果与非相互作用的电机。我们发现，相互作用导致相当相关的货物的力-速度关系的变化，与失速力的相当大的减少，也导致显着减少的运行长度。这些影响主要是由于微管中的交通样现象。考虑为电动机设置几条平行轨道可减少这种影响。然而，我们发现，对于现实的值的数量的电机和轨道的数量，相互作用的影响，对全球参数的货物运输是远远不能忽略不计的。我们的研究还提供了一个分析的相关性的电机回步的建模，和不同的假设的影响的分离率。特别是，我们讨论了这两个方面的可能性，观察在大负荷力的货物的进程回运动。
2010-12-14 physics.bio-ph q-bio.SC
Effective behavior of cooperative and nonidentical molecular motors
有效漂移，扩散率，运行时间和运行长度的分析公式推导出的细胞内运输系统组成的货物连接到两个合作，但不相同的分子马达（例如，驱动蛋白-1和驱动蛋白-2），可以每个连接和脱离微管。电机和货物在每个阶段的动力学由随机微分方程控制，开关速率取决于电机和货物的空间配置。该系统是在一个限制下分析的，其中分离的电机具有比货物更快的动态，而货物又具有比连接的电机更快的动态。相对于空间动力学，附着和分离速率也被认为是缓慢的。通过应用迭代随机平均到这个系统中，并使用更新奖励理论缝合在一起的进展，在每个切换阶段，我们得到明确的解析表达式的有效漂移，扩散率，和加工的汽车货物系统。我们的方法特别考虑了在附着和分离事件期间发生的电机货物位置的跳跃，因为货物跟踪变量由于平均快速尺度而进行快速调整。的渐近公式是在一般良好的协议与直接随机模拟的详细模型的基础上的实验参数为各种配对的驱动蛋白-1和驱动蛋白-2下协助，阻碍，或没有负载。
2021-01-21 math.PR q-bio.SC
Tug-of-war of molecular motors: the effects of uneven load sharing
我们从理论上分析了两种极性相反的马达沿微管运输货物的问题。我们考虑两种不同的一维模型先前在文献中开发。一方面，一个相当普遍的模型，假设相等的力共享，这里称为平均场模型（MFM）。另一方面，一个随机模型（SM），考虑个别汽车货运环节。我们发现，在一般情况下，MFM预测更大的货物平均速度，较小的平均运行时间和更少的频繁的逆转比SM。这些现象被认为是负载分担假设的后果，可以解释为不同运动状态的概率。我们还探讨了两种模型中的粘度的影响和SM内的马达货物链接的刚度的作用。我们的研究结果表明，平均货物速度是独立的刚度，而平均运行时间减少这样一个参数。我们探讨的情况下，对称的向前和向后的电机考虑驱动蛋白-1参数，和运输的问题驱动蛋白-1和细胞质动力蛋白考虑两组不同的参数先前提出的动力蛋白。
2011-11-29 physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic simulations of cargo transport by processive molecular motors
我们使用随机计算机模拟研究运输的球形货物颗粒沿着微管样的轨道上的平面基板上的几个驱动蛋白样的加工马达。我们新开发的粘合剂电机动力学算法结合了数值积分的朗之万方程的运动与动力学规则的分子马达的球。朗之万部分包括扩散运动、牵引马达的作用以及球与壁之间的流体动力学相互作用。电机的动力学规则包括绑定到灯丝和从灯丝解除绑定以及主动电机步骤。我们发现，模拟的平均运输长度呈指数增长与绑定电机的数量，与早期的结果吻合得很好。对于用作连接器力学模型的弹簧和电缆，在电机轨道的绑定范围内的电机数量随时间波动，具有泊松分布。只有在粘度和附着时间高的情况下，才会出现在相等载荷分担意义上的协同性。
2009-12-11 cond-mat.soft q-bio.BM q-bio.SC
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
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
Motor protein accumulation on antiparallel microtubule overlaps
生物聚合物充当一维轨道，马达蛋白在其上移动以执行其生物作用。马达蛋白现象激发了一维运输、拥挤和堵塞的理论模型。研究Xklp 1马达在重建的反平行微管重叠上的运动的实验表明，马达被招募到重叠处，向单个微管的正端行走，并在细丝之间频繁切换。我们研究了这个系统的一个模型，耦合完全不对称的简单排斥过程（TASEP）的电机运动与反平行丝和绑定动力学之间的开关。我们确定稳态电机密度分布固定长度的重叠使用精确和近似的连续微分方程的解决方案，并比较动力学蒙特卡罗模拟。重叠电机密度曲线和电机轨迹类似于实验测量。该模型的相图是类似的单灯丝的情况下，低开关速率，而高开关速率，我们发现了一个新的低密度-高密度-低密度-高密度相。远离重叠端部的重叠中心区域具有恒定的电机密度，正如人们天真地期望的那样。然而，而不是遵循一个简单的绑定平衡，中心电机密度取决于总重叠长度，电机速度和电机切换率。重叠端附近拥挤的边界层的大小除了取决于马达速度和体积浓度之外，还取决于重叠长度和切换速率。反平行微管重叠的几何形状可能提供了一个以前未被认识的机制，蛋白质浓度和随之而来的活动的生物调节。
2016-02-12 physics.bio-ph q-bio.SC
Dynein catch bond as a mediator of codependent bidirectional cellular transport
微管细丝上货物的细胞内双向运输是通过反向动力蛋白和驱动蛋白马达的集体作用实现的。实验已经发现，在某些情况下，抑制一种类型的运动的活动导致细胞货物在两个方向上的运动性的总体下降。这种违反直觉的观察，被称为{ \em相互依赖悖论}，与现有的反向马达之间的机械拔河范式不一致。与驱动蛋白不同，动力蛋白马达表现出捕获结合，其中这些马达的解结合速率随着作用在它们上的力的增加而降低。在一个理论模型中阐明动力蛋白的这种捕获结合行为，我们表明，两种马达物种的功能分歧表现为一种内部调控机制，并导致生物相关制度中的相互依赖的运输行为。利用解析方法和随机模拟，我们分析了连续性的特点和概率分布的运行时间和暂停时间的运输细胞货物。我们发现，捕捉键合可以大大改变的传输特性，也提供了一个合理的解决方案的悖论的相互依赖。
2019-08-13 physics.bio-ph q-bio.SC
Spatial cytoskeleton organization supports targeted intracellular transport
细胞内货物从特定来源转运到靶位置的效率强烈依赖于分子马达辅助的沿细胞骨架的运动。具有中心体的细胞具有沿微管的径向运输和沿细胞膜下的肌动蛋白皮质的细丝的侧向运输的特征。特定的细胞骨架组织和运动性能之间的相互作用实现了空间不均匀的间歇搜索策略。为了分析这种细胞内搜索策略的效率，我们制定了一个随机速度模型与间歇性逮捕状态。我们根据三种不同的、经常遇到的细胞内转运任务的平均首次通过时间来评估效率：i）窄逃逸问题，其在货物运输到突触或细胞膜的其他特定区域期间出现，ii）反应问题，其考虑细胞内两个粒子的结合时间，以及iii）反应逃逸问题，当货物必须在与另一个粒子配对后才能在突触处释放时，就会出现这种情况。我们的研究结果表明，细胞能够实现有效的搜索策略，通过空间细胞骨架组织，只涉及一个狭窄的肌动蛋白皮质，而不是充满随机取向的肌动蛋白丝的细胞体，经济地进行各种细胞内运输任务。
2018-03-29 physics.bio-ph q-bio.SC
Mean-field analysis of two-species TASEP with attachment and detachment
在细胞中，大部分的物质都是通过运动蛋白沿微管转运的。在生物病理学上，大量马达蛋白沿单一轨道的单向运动可以用完全不对称简单排除过程（TASEP）来描述。由此可以得到许多有意义的性质，如域壁（定义为运动蛋白沿运动轨迹的高密度和低密度的边界）和边界层的出现。然而，从生物学上看，很明显，一个单一的轨迹可能被不同的运动物种占据。因此，以往基于单一粒子种类的TASEP的研究不足以发现电机沿单一轨迹运动的更详细的特性。为了解决这个问题，TASEP与两个粒子物种在这项研究中进行了讨论。给出了计算各种粒子密度的理论方法。利用这些方法，得到了与相变有关的粒子密度的性质。我们的分析表明，单粒子密度的畴壁和边界层总是与总粒子密度的畴壁和边界层同时出现。总粒子密度的畴壁高度等于单个粒子密度的总和。给出了典型模型参数的相图。本研究所提出的方法可推广应用于分析具有更多粒子种类的TASEP。
2015-03-05 q-bio.SC
Self-organized lane-formation in bidirectional transport of molecular motors
在细胞内，囊泡和蛋白质沿着细胞骨架丝活跃地运输几微米。沿着微管的运输是由动力蛋白和驱动蛋白马达推动的，它们以相反的方向运送货物。即使在强限制下，例如在轴突中，双向细胞内运输也以很高的效率进行。对于这类输运系统，一般会期望形成团簇形成。在这项工作中，我们讨论了最近观察到的自我增强的结合亲和力沿驱动蛋白的轨迹上的MT的效果。我们引入了一个随机格子气模型，其中增强的结合亲和力是通过地板场实现的。从蒙特卡罗模拟和平均场分析，我们表明，这种机制可以导致自组织的破障和车道的形成，这确实导致有效的双向运输在狭窄的环境。
2020-02-27 physics.bio-ph q-bio.SC
A Persistent Random-Walk Model of Molecular Transport in Neuronal Dendritic Trees
Faculty of Computer Science and Engineering, Ss. Cyril and Methodius University（西里尔和梅托迪乌斯大学计算机科学与工程学院）
本研究提出两层分析框架，构建带暂停的持久电报过程半马尔可夫模型，揭示神经元中mRNA转运的MFPT与持久方向、树突长度的关系。
2026-09-09 math.PR physics.bio-ph q-bio.SC
Renewal reward perspective on linear switching diffusion systems
在许多生物系统中，个体代理的运动通常被表征为具有由各种生物物理状态引起的多个定性不同的行为。这对于细胞内运输中的囊泡、细菌等微生物或在其环境中移动并对其作出反应的动物都是如此。例如，在细胞中，囊泡、细胞器和其他货物的运动受到它们通过分子马达蛋白与细胞骨架丝如微管结合和脱离的影响。这类系统模型的理论或数值分析的一个典型目标是研究有效的输运性质及其对模型参数的依赖性。虽然经历切换扩散的粒子的有效速度通常容易地根据粒子在每个状态中花费的长时间分数来表征，但是有效扩散率的计算更加复杂，因为它不能简单地根据在一个时刻的粒子传输状态的统计平均值来表示。然而，这些系统通常是可再生的，从某种意义上说，它们可以被分解为独立的循环，其标志是返回到基本状态。使用这种分解，我们通过计算每个周期内的动力学矩，然后应用更新奖励理论来计算有效的输运性质。该方法为线性对流-反应-扩散偏微分方程模型的直接均匀化提供了一种有用的大时间分析方法。此外，它适用于一般类的半马尔可夫过程和某些随机微分方程中出现的模型细胞内运输。所提出的框架的应用举例说明的案例研究，如mRNA运输在发展中的卵母细胞和车队的马达蛋白进行货物运动。
2019-11-18 physics.bio-ph q-bio.SC
Spontaneous Oscillations of Elastic Filaments Induced by Molecular Motors
从运动性测定中微管的波浪状运动可知，马达产生的皮牛顿力足以使细丝弯曲。在细胞现象中，如细胞飞溅流，分子马达沿着细胞骨架丝移位，携带携带液体的货物。当大量这样的强制细丝通过周围的液体相互作用时，如在$Drosophila~melanogaster$中卵母细胞发育的特定阶段，观察到复杂的动力学，但它们背后的详细机制仍然不清楚。受这些观察的启发，我们在这里研究这些现象的最简单的模型：一端固定的弹性细丝，由一个分子马达作为点力处理。因为力切向作用于细丝，不管它的形状如何，这个“跟随力”问题本质上是非变分的，因此从根本上不同于欧拉屈曲，在欧拉屈曲中，力具有固定的方向，并且在低雷诺数状态下，最终导致静止的能量最小化形状。通过结合线性稳定性理论，分析研究的一个可解的简化的“两个链接”模型，和数值研究的完整的弹性流体动力学运动方程，我们阐明的Hopf分叉，发生与强迫增加的细丝，导致扑动运动类似的高雷诺数振荡的花园软管与自由端。
2017-07-07 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Intra-cellular transport by single-headed kinesin KIF1A: effects of single-motor mechano-chemistry and steric interactions
在真核细胞中，许多马达蛋白可以在单个微管轨道上同时移动。这导致了有趣的集体现象，如干扰。最近，我们报道了（{ \it Phys. Rev. Lett. { \bf 95}，118101（2005）}）描述非常规（单头）驱动蛋白KIF 1A的运输的晶格气模型。在这里，我们推广这个模型，引入一个新的相互作用参数$c$，占一个有趣的机械化学过程中没有被认为是在任何早期的模型。我们已经能够从实验测得的量中提取模型的所有参数，除了$c$。与细胞内分子马达交通的早期模型相比，我们的模型为每个驱动蛋白分配不同的“化学”（或构象）状态，以解释马达的化学燃料ATP的水解。我们的模型使实验可检验的理论预测。我们确定的相图的模型在飞机跨越实验可控参数，即驱动蛋白和ATP的浓度。此外，使用分析方法和模拟来确定例如冲击的位置，对相分离状态进行了详细的研究。我们的理论预测与实验结果的比较，预计将阐明参数$c$捕获的机械化学过程的性质。
2007-02-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Quantitative Determination of the Probability of Multiple-Motor Transport in Bead-Based Assays
由于分子马达的最长尺寸通常小于100 nm，因此它们明显低于光学分辨率极限。尽管在荧光成像方法的重大进展，标记珠仍然是关键的光学捕获为基础的调查分子马达。基于珠粒的测定中的关键实验挑战是珠粒上的马达的数量没有很好地定义。特别是对于单分子研究，单与多电机事件的概率还没有实验研究。在这里，我们使用珠行程距离作为多电机运输的指标，并确定了两个或更多个电机的珠运输的下限概率。我们限制ATP浓度，以增加我们的检测灵敏度为多个与单驱动蛋白运输。令人惊讶的是，除了最低的电机数量，我们的测量结果超过了以前模型的估计R2倍。为了弥合理论与实验之间的这一明显差距，我们推导出了多个电机的珠粒运输概率的封闭形式表达式，并使用我们的实验测量来约束该模型中唯一的自由参数。我们的数据表明，驱动蛋白在珠运输过程中延伸到~57 nm，这表明驱动蛋白利用其构象的灵活性与微管在高度弯曲的界面，如那些存在于细胞中的囊泡运输相互作用。据我们所知，我们的研究结果提供了第一个实验约束的指导估计的概率多电机运输的光学捕获研究。这里使用的实验方法（限制ATP浓度）通常适用于分子马达用人工或从细胞提取物中纯化的货物标记的研究。
2016-10-04 q-bio.BM q-bio.QM q-bio.SC
